Provably secure, smart contract-based naming services: design, implementation and evaluation

Abstract

Naming services provide the necessary foundations of developing diverse and important applications, such as e-commerce and e-banking. Currently, these naming services are operated by centralized authorities, which have to be trusted for their correct operation. Unfortunately, centralization (of trust) incurs several downsides in terms of security, availability and faulttolerance, as illustrated by numerous security incidents throughout the years where such authorities have been compromised. Decentralization has been proposed as analternative to deal with these issues. Nevertheless, decentralization raises other concerns, such as dealing with free-riding and Sybil attacks. In this thesis, we leverage the scalability, security, as well as, the built-in incentive mechanism of blockchain systems and propose the design of a decentralized, smart contract-based naming service. More specifically, we are the first to fully formalize the naming service design problem in the Universal Composability (UC) framework and formally prove the security of our construction under the strong RSA assumptionin the Random Oracle model and the existence of an ideal smart contract functionality. The main barrier inrealizing a smart contract-based naming service is the size of the contract’s state which, being its most expensive resource to access and modify, should be minimized for a construction to beviable. We resolve this issue by defining and using in our naming service a public-state cryptographic accumulator with constant size, a cryptographic tool which may be of independent interest in the context of blockchain protocols. This accumulator incurs constant-sized storage at the expense of computational complexity. To explore this trade off, we proposeand implement a second construction, which preserves the security properties of the first and, as illustrated through our evaluation, is the only version withconstant-sized state that can be deployed on the live chain of Ethereum, the most notable public smart contract platform at the time of this writing. We compare these two constructions with the simple approach of most prior works, e.g., the Ethereum Name Service, where all identity records are stored on the smart contract’s state, to illustrate several short comings of Ethereumand its cost model. To address these issues, and others, we introduce an alternative paradigm for developing smart contract-based applications in which their state is of constant size and facilitates the verification of application data that are stored to and queried from an external, potentially unreliable, storage network. This approach is relevant for a wide range of applications, such as any key-value store. We illustrate the efficacy of our approach by presenting a case study where we adapt the most widely deployed standard for fungible tokens, i.e., the ERC20 token standard, to our paradigm. We address Ethereum’s monotonically increasing state which, if left unchecked, will have a direct impact on Ethereum's security and, ultimately, its longevity. Weintroduce recurring fees that are proportional to the state of smart contracts and adjustable by the nodes (miners) that maintain the network. We propose a scheme where the cost of storage-related operations reflects the effort that miners have to expend to execute them. We show that under such apricing scheme that encourages economy in the state consumed by smart contracts, the constructions presented in this work reduce the incurred transaction fees by up to an order of magnitude. Weargue that these improvements are sensible for any smart contract platform that wishes to support user developed distributed applications.

Οι υπηρεσίες ονοματοδοσίας παρέχουν τα απαραίτητα θεμέλια για την ανάπτυξη ποικίλων και σημαντικών εφαρμογών, όπως το ηλεκτρονικό εμπόριο και η ηλεκτρονική τραπεζική. Επί του παρόντος, αυτές οι υπηρεσίες ονοματοδοσίας βρίσκονται υπό τον έλεγχο κεντρικοποιημένων οντοτήτων, τις οποίες πρέπει να εμπιστευόμαστε ότι λειτουργούν σωστά. Δυστυχώς, η κεντρικοποίηση (εμπιστοσύνης) επιφέρει πολλά μειονεκτήματα όσον αφορά την ασφάλεια, τη διαθεσιμότητα και την ανοχή σφαλμάτων,όπως φαίνεται από μία πληθώρα περιστατικών ασφάλειας κατά τη διάρκεια των ετών όπου τέτοιες οντότητες έχουν παραβιαστεί. Η αποκέντρωση έχει προταθεί ως εναλλακτική λύση για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων. Παρ 'όλα αυτά,η αποκέντρωση εγείρει άλλα προβλήματα όπως, π.χ., η αντιμετώπιση της μη ανταποδοτικότητας και οι Σιβυλλικές επιθέσεις. Σε αυτή τη διατριβή, αξιοποιούμε την επεκτασιμότητα, την ασφάλεια, καθώς και τον ενσωματωμένο μηχανισμό παροχής κινήτρων των συστημάτων blockchain και προτείνουμε τον σχεδιασμό μιας αποκεντρωμένης υπηρεσίας ονοματοδοσίας βασισμένη σε έξυπνα συμβόλαια. Πιο συγκεκριμένα, είμαστε οι πρώτοι που παρουσιάζουμε τον πλήρη φορμαλισμό του προβλήματος σχεδιασμού υπηρεσιών ονοματοδοσίας στο πλαίσιο τoυ μοντέλου Γενικής Σύνθεσης και αποδεικνύουμε την ασφάλεια της κατασκευής μας υπό την ισχυρή υπόθεση RSA στο μοντέλο του Τυχαίου Μαντείου και την ύπαρξη μιας ιδεατής λειτουργικότητας έξυπνου συμβολαίου.Το κύριο εμπόδιο στην πραγματοποίηση μιας υπηρεσίας ονοματοδοσίας βασισμένη σε έξυπνα συμβόλαια είναι το μέγεθος της αποθηκευμένης πληροφορίας σε αυτά η οποία,όντας η πιο δαπανηρή πηγή πρόσβασης και τροποποίησης, θα πρέπει να ελαχιστοποιηθεί για να θεωρηθεί μια κατασκευή βιώσιμη. Επιλύουμε αυτό το ζήτημα ορίζοντας και χρησιμοποιώντας στην υπηρεσία ονοματοδοσίας μας έναν προσθετικό, παγκόσμιο κρυπτογραφικό συσσωρευτή δημόσιας κατάστασης σταθερού μεγέθους, ένα κρυπτογραφικό εργαλείο το οποίο μπορεί να είναι ανεξάρτητου ενδιαφέροντος στο πλαίσιο των πρωτοκόλλων blockchain. Αυτός ο συσσωρευτής προκαλεί αποθήκευση σταθερού μεγέθους πληροφορίας εις βάρος υπολογιστικής πολυπλοκότητας. Για να διερευνήσουμε το αντίκτυπο ανάμεσα σε αυτά τα δύο,προτείνουμε και υλοποιούμε μια δεύτερη κατασκευή, η οποία διατηρεί τις ιδιότητες ασφαλείας της πρώτης και, όπως απεικονίζεται μέσα από την αξιολόγησή μας, είναι η μόνη έκδοση με σταθερού μεγέθους αποθηκευμένη πληροφορία που μπορεί να αναπτυχθεί στη βασική αλυσίδα τουEthereum, της πιο αξιοσημείωτης δημόσιας πλατφόρμας έξυπνων συμβολαίων κατά τη στιγμή αυτής της γραφής. Συγκρίνουμε αυτές τις δύο κατασκευές με την απλή προσέγγιση των περισσότερων προηγούμενων υλοποιήσεων, π.χ., του EthereumName Service, όπου όλα τα αρχεία ταυτότητας αποθηκεύονται πάνω στο έξυπνο συμβόλαιο, για να καταδείξουμε αρκετές ελλείψεις του Ethereumκαι του μοντέλου κοστολόγησής του. Για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων, καθώς και άλλων,εισαγάγουμε ένα εναλλακτικό παράδειγμα για την ανάπτυξη εφαρμογών βασισμένες σε έξυπνα συμβόλαια στις οποίες το μέθεγος της αποθηκευμένης πληροφορίας σε αυτά είναι σταθερή και διευκολύνει την επαλήθευση των δεδομένων των εφαρμογών, τα οποία αποθηκεύονται σε και αναζητούνται από ένα εξωτερικό, δυνητικά αναξιόπιστο, δίκτυο αποθήκευσης. Αυτή η προσέγγιση είναι σχετική για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως κάθε σύστημα αποθήκευσης κλειδιών και τιμών.Δείχνουμε την αποτελεσματικότητα της προσέγγιση μας με την παρουσίαση μιας μελέτης όπου προσαρμόζουμε το πιο ευρέως αναπτυγμένο πρότυπο για ανταλλάξιμα νομίσματα, δηλ., το πρότυπο νομισμάτων ERC20.Αντιμετωπίζουμε τη μονοτονικά αυξανόμενη αποθηκευμένη πληροφορία του Ethereum η οποία, αν δεν ελεγχθεί, θα έχει άμεσο αντίκτυπο στην ασφάλεια του Ethereum και, τελικά, στη μακροζωία του. Εισαγάγουμε επαναλαμβανόμενα τέλη που είναι ανάλογα με την αποθηκευμένη πληροφορία στα έξυπνα συμβόλαια και ρυθμιζόμενα από τους κόμβους που διατηρούν το δίκτυο. Προτείνουμε ένα μοντέλο όπου το κόστος των λειτουργιών αποθήκευσης αντικατοπτρίζει την προσπάθεια που πρέπει να καταβάλουν οι κόμβοι για να τις εκτελέσουν. Δείχνουμε ότι κάτω από ένα τέτοιο σύστημα τιμολόγησης που ενθαρρύνει οικονομία στην αποθηκευμένη πληροφορία στα έξυπνα συμβόλαια, οι κατασκευές που παρουσιάζονται σε αυτή τη διατριβή μειώνουν τα τέλη συναλλαγών κατά μία τάξη μεγέθους. Υποστηρίζουμε ότι αυτές οι βελτιώσεις είναι λογικές για κάθε πλατφόρμα έξυπνων συμβολαίων που επιθυμεί να υποστηρίζει την ανάπτυξη αυθαίρετων κατανεμημένων εφαρμογών από τους χρήστες της.