Návrh experimentálního PoS blockchain konsensuálního protokolu založeného na DAG struktuře

Abstract

Proof of Stake (PoS) blockchainové systémy čelia fundamentálnemu napätiu medzi bezpečnosťou a férovosťou. Utoky typu Denial of Service (DoS) sa stali kritickými pre blockchainy, ktoré umožňujú verejný výber vodcu. Analyzujeme existujúce techniky a identifikujeme ich obmedzenia v hlavných PoS protokoloch (Ethereum, Polkadot, Algorand). Ako reakciu predstavujeme konsenzuálny PoS protokol postavený na štruktúre acyklicky orientovaného grafu (DAG), ktorý zahŕňa mechanizmus výberu jediného tajného vodcu (SSLE). Navrhovaný protokol využíva záväzkovú schému pre SSLE, ktorá využíva zero-knowledge dôkazy (ZKP), Merkle dôkazy a digitálny podpisový algoritmus na eliptických krivkách (Edwards-curve Digital Signature Algorithm, EdDSA), aby zabezpečil jedinečný, férový a nepredvídateľný výber vodcu. Na dosiahnutie realistickejších výsledkov sme nazbierali údaje o latencii zo 246 serverov na svete a rozšírili sme existujúci generátor topológie peer-to-peer sietí tak, aby generoval siete na základe vytvoreného datasetu. Následne sme vyvinuli flexibilnú DAG štruktúru, ktorá prispôsobuje počet paralelných vetiev podľa zaťaženia transakciami, čo umožňuje vyššiu priepustnosť pri vysokom dopyte. Kontajnerizovaná implementácia blockchain klienta s podpornými službami dosahuje modulárnejšiu architektúru, ktorá umožňuje jednoduchšie nastavenie a realizáciu experimentov.

Proof of Stake (PoS) blockchain systems face a fundamental tension between security and fairness. Denial of Service (DoS) attacks became critical for blockchains that enable public leader selection. We analyze existing techniques and identify their limitations in major PoS protocols (Ethereum, Polkadot, Algorand). As a response, we present a PoS consensus protocol built on a Directed Acyclic Graph (DAG) structure, incorporating a Single Secret Leader Election (SSLE) mechanism. The proposed protocol uses a commitment scheme for SSLE that leverages zero-knowledge proofs ZKPs, Merkle proofs, and Edwards-curve Digital Signature Algorithm (EdDSA) to guarantee unique, fair, and unpredictable leader election. To achieve more realistic results, we collected latency data from 246 location-specific servers and extended an existing peer-to-peer network topology generator to generate networks from the created dataset. We then developed a flexible DAG structure that adjusts the number of parallel branches based on the transaction load, enabling higher throughput under high demand. The containerized node client implementation and its supporting services provide a modular architecture that simplifies both setup and experiment execution.