Mithrilとは - より強く、より軽いブロックチェーンを繋ぐ【翻訳文字起こし全文】

Mithrilはステークベースの閾値マルチ署名スキームを提示する研究論文です

以下の文章は、IOHKのYouTube動画「Mithrilとは - より強く、より軽いブロックチェーンを繋ぐ」（2021/10/14）を翻訳文字起こししたものです。

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要点

・Mithrilが解決する最初の問題は 複数の署名を効率的に集約することです

Mithrilは 特定のメッセージを検証するために所定の数の参加者が必要とされる標準的な閾値設定とは異なる ステークベースの閾値設定で動作します　

ステークベースの閾値設定において 正しい署名を生成するためには メッセージの検証に 総ステークの何分の一かを要求します　

プルーフ・オブ・ステークメカニズムにすでに存在する前提条件以外は 一切追加することなく この合意形成の証明を実現しています　

・この署名方式を採用することで さまざまなステークホルダーにチェーン履歴の転送のチェックポイントを検証してもらうことができます　

新しいクライアントや長期間オフラインになっていたクライアントが 取引履歴全体を調べて最終状態を検証するのではなく 最終ステップが有効であることを納得してもらうために これらのチェックポイントを経由するだけですむのです　

・Mithrilはステークベースの閾値マルチ署名スキームを提示する研究論文です

ステークを活用し 少人数のステークホルダーにそのメッセージに署名してもらうのです　

それは各ユーザーに署名を試みさせて 個々のユーザーが自分の署名が抽選の当選対象かどうかを確認できるようになり その署名を出力することができます　

そして 異なるくじのK個の署名が揃ったら それらを集約して1つのMithrilの署名とすることができるのです　

・計算などの時間や必要なリソースが大幅に改善され 高速な同期が可能となり 高いセキュリティ保証が得られるため より制約の多いデバイスへの適用が可能となりました

・ゼロ知識証明に基づく自己主権型IDプロトコルを構築しており組織が 顧客の個人情報を取得・保存することなく 顧客のIDを洗練することを可能にしています　

例えば ある年齢以上であることを証明するために 書類を見せずに生年月日を共有したり 特定のアプリケーションのために対象国に居住していることを証明したりすることができます

本文

Inigo Querejeta Azurmendi:皆さんこんにちは　IOGの暗号エンジニア Inigo Querejeta Azurmendiです　今日はセッションと参加するスピーカーの紹介をしたいと思います　

この講演では 研究とエンジニアリングの両方を行っているMithrilについて紹介します　

Mithrilはステークベースの閾値マルチ署名スキームを提示する研究論文ですが IOG内でプロトコルを実装し Cardanoブロックチェーンの実世界の問題を解決するための取り組みを指してMithrilと呼んでいるのです　

そこで私は Mithrilが解決する問題の概要を説明し その後 他の講演者にその詳細な説明を譲りたいと思います　

Mithrilが解決する最初の問題は 複数の署名を効率的に集約することです　Mithrilは 署名者が有効な署名を作成するために他の署名者とやりとりする必要がない公開鍵の設定で動作します　そして 有効な署名をすべて受け取りそれを一つの有効な署名に集約する集約者の役割を担います　

この集約は署名の数に対して対数的であり Mithrilの集約はサブリニアの性能となります　

このため Mithrilは 特定のメッセージを検証するために所定の数の参加者が必要とされる標準的な閾値設定とは異なる ステークベースの閾値設定で動作します　

ステークベースの閾値設定において 正しい署名を生成するためには メッセージの検証に 総ステークの何分の一かを要求します　

Mithrilには 追加の信頼性の前提はありません　

そのため プルーフ・オブ・ステークメカニズムにすでに存在する前提条件以外は 一切追加することなく この合意形成の証明を実現しています　

最後に カルダノに非常に関連する問題です　

より一般的には プルーフ・オブ・ステークに関連する問題です　

ブロックチェーンには 高速なチェーンブートストラップという問題があります　

この署名方式を採用することで システムのさまざまなステークホルダーにチェーン履歴の転送の所定のチェックポイントを検証してもらうことができます　新しいクライアントや長期間オフラインになっていたクライアントが 取引履歴全体を調べて最終状態を検証するのではなく 最終ステップが有効であることを納得してもらうために これらのチェックポイントを経由するだけですむのです　

まずはPyrrosから プロトコルの設計についてもう少し詳しく話してもらうことにします　

次に RomanがMithrilの使用例をいくつか紹介します　

最後に IOGの戦略的パートナーであるGaloisとIdyllic Visonに Mithrilの開発方法について話してもらいます　

ありがとうございます　それではトークを楽しんでください　

Pyrros Chaidosというわけで 私はPyrrosです　

アテネ大学ブロックチェーン技術研究所の研究員で Mithrilの研究論文の共著者になります　

さて Mithrilのデザインですが 3つのコアとなるアイデアがあります　

1つ目は 効率を得るためにステークを活用することです　

2つ目は 透明なセットアップと呼ばれるものです　

つまり 必要なセットアップが 信頼を高める必要もなければ 非常に手の込んだセレモニーが行われることもないのです　

Mithrilのデザインにおけるもう一つのコアコンセプトは モジュラーコンポーネントというものです　

最初の研究論文でも 2つの異なる証明システムを用意し どちらも透明で サイズと効率の間で異なるトレードオフができるようにしました　

ステークを活用する方法について少し詳しく説明しますと 基本的なシナリオとして ステークホルダー全員を想定した署名を作成したい場合を考えてみます　

最も単純な方法は 各ステークホルダーに適切なメッセージに署名するよう依頼することです　

今 それは可能であることが判明していますが 非常に非効率的でもあります　

これまでにも より効率的に同様の目的を達成することを目的としたマルチシグネチャやアドホック対マルチシグネチャと呼ばれる構成がありましたが 悪意のある部分が行われないこと ユーザー数に応じて拡張することに関しては まだ未解決の課題が残っています　

一方 極端な話 ステークホルダー間で選挙を行い 一人の人間をリーダーとして選出し 特定のメッセージを支持するかしないかを問うだけでいいということも考えられます　

それならうまくいくかもしれません　

しかし ユーザーが選ぶのは 正直なプレーヤーではない可能性が高いのです　

そこで 私たちがたどり着いた解決策は ステークを活用し 少人数の株主にそのメッセージに署名してもらうことです　

つまり より現実的な解決策は ある特定の数の株主にだけ この特定のメッセージに署名するよう依頼することです　

それを次のような方法で行います　

M個の個別抽選を行います　

そして これらのくじのK人の当選者によって署名された場合 そのメッセージは有効であるとみなします　

さて その方法ですが 各ユーザーに署名を試みさせて その署名を抽選関数と思われるものに渡します　

これで 個々のユーザーが自分の署名が抽選の当選対象かどうかを確認できるようになり 待たずにその署名を出力することができます　

これは Cardanoのような標準的なブロックチェーンで起こっていることとは異なります　ローカルでは 参加するために自分のスロットがアクティブになる時間を待つ必要があります　

そして 異なるくじのK個の署名が揃ったら それらを集約して1つのMithrilの署名とすることができるのです　

さて 実際のところ Mithrilの設計は セットアップ 初期化 運用の3つのフェーズを特徴としています　

また Mithrilは セットアップを繰り返すことなく 簡単に再初期化できるように構築されています　

これは 初期化がステーク分布によって異なるため いくつかのアプリケーションで非常に重要になるでしょう　

さて Mithrilをセットアップするために 暗号が行われるグループ設定を確定する必要があります　

インターチェンジMを選択します　これは簡単に言うと これから行う選挙の数です　

そしてクォーラムサイズK これは署名が受理されるために必要な当選者の数です　

また 証明システムのための参照文字列を提供する必要があります　

しかし すでに述べたように これは透明性のある方法で行うことができ 高い信頼性の前提を必要としません　

さて 初期化ですが まず ステーク分布の更新が必要です　

これは 各ステークホルダーがどれだけのステークを保有しているかを知っているようなもので 各ステークホルダーは鍵を登録する責任があり これはオンチェーンでもオフチェーンでも行うことができます　

しかし これはほとんどのブロックチェーンで共通する機能であるため 比較的安価に収益を上げることができるのです　

最後に ステーク分布とテストキーを圧縮します　

私たちの設計では これはマークルツリーによって行われます　

これにより Mithrilの署名は そのマークルツリーを表す単一のハッシュに対して検証されるようになります　

そのため 署名を検証するために必要な状態のサイズを低く抑えることができます　

運用フェーズでは ユーザーはアグリゲートを作成し Mithril署名を検証することができます　

さて 先にも述べたように 署名の作成は ユーザーが署名を試み 作成した署名が実際に並行して行われている宝くじの当選者であるかどうかを確認することで成り立っています　

それが本当であれば ユーザーは自分の署名をブロードキャストすることになります　

また 異なる選挙で特定のメッセージを支持する署名が十分にあれば それらを1つのメソッド署名に集約することができます　

そして その署名はブロードキャストされます　

そしてその署名は 証明システムの参照文字列と ステーク分布の非常に短いマークルツリーハッシュを使うだけで 誰でも検証することができるのです　

では最後に 一人のユーザがMithrilで署名を作成する手順を説明しましょう　

そこでまず ユーザーは自分の保有するステーク量を確認し それをスコア関数に通して自分のスコア閾値Tを求め 署名候補Sを作成しようとするのです　

さて 各インデックスについて 自分たちが作成した署名候補と 今署名したメッセージ そして照合しているくじのインデックス番号の組み合わせが 閾値Tよりも小さいスコア値を生成するかどうかを評価することになります　

もしそれが真であれば 彼らが生成した候補は 実際にその特定のインデックス番号の抽選に当選したことになります　

そうでない場合は 次のものを試すことになります　

さて 可能な限りのインデックスを試した結果 署名Sが実際に有効であるインデックスが1つ以上ある可能性があります　

そのインデックスごとに 自分の署名候補と そのインデックス番号が有効であることからなるMithrilでいうところの個人署名を出力し そのスコアが確かに自分が登録したステーク分布と一致することを検証する証明を示したのです　

そして 先ほども言ったように 次に起こることは これらの個々の証明署名がブロードキャストされます　

そして 同じメッセージで異なるインデックス番号のものがK個作られると それらを1つのMithril署名に集約することができます　

さて それでは次のセッションに移ります　Romanがアプリケーションについてお話します　

Roman Oliynykov:Pyrrosさん ありがとうございます　

現在 分析・開発中のシステムの全体計画アーキテクチャを考慮しながら Mithrilのユースケースを見ていきたいと思います　

このスライドでは ステークプール運営者が実行するソフトウェア Cardanoピアツーピアネットワークへの接続 Mithrilノードピアツーピアネットワーク ステークプール運営者が実行するノードに接続されたMithrilクライアントをハイレベルで見ることができます　

SPOプラットフォームのMithrilノードは 検証済みのブロックチェーンとローカルストレージにアクセスし プロトコルを実行してMithril証明書を生成し ストレージのMithrilに保管されます　

その際 専用のピアツーピアMithrilノードネットワークが使用されます　

必要な証明書がすでに生成されると ミスリルのストレージに保管され ネットワーク全体の間で検証可能な同期が行われます　

したがって ステークプールの運営者は カルダノ・ブロックチェーン全体と そのための有効なMithril証明書のリストの両方を共有する準備が整っているのです　

次に Mithril クライアントがネットワークに接続すると Mithril 証明書のリストを要求し Cardano チェーンのうち最も長いチェーンのヘッダーのみを要求します　

そのために複数のSPOを独立して使用することもでき その後Mithrilクライアントは 証明書が取得したCardanoブロックチェーンを完全に確認することを検証します　

全体の手順は軽量なものであり 重要なネットワークストレージや計算リソースの関与を必要としません　

ノード同期のCardanoとMithrilの手続きは 相互に排他的ではないことも知っておきましょう　

これらは並行して実行することができ 同期用のMithrilは後でフルノードの同期によって確認されます　

ウロボロス・クラシックのベースコンセンサスに対して ミスリルアプローチを用いると どの程度の作業を安全に省略できるかがスライドで確認できます　

たとえば すでに少なくともスロットリーダーを持っている場合 我々はコミットメントステージ内のトランザクションを解析し 次のウロボロスエポックのためのそれらのランダムネスからコミットメントを抽出する必要があります　

その後 通常の取引でブロックチェーンが成長する間 ステーク分布のスナップショットを維持する必要があります　

その後 オープンステージのトランザクションをすべて処理し ランダムなオープントランザクションを抽出しなければならなりません　

この段階でいくつかのコミットがオープンでない場合 ランダム性を明らかにするために追加のプロトコルが実行され オピニオンリーダーの関心とその公開鍵が判明した後にのみ追加の実取引がブロックチェーンに置かれ Ouroboros Praos Genesisなどの次世代Ouroborosプロトコルの検証に使用できるようになります　

この手順はより高度ですが Mithrilで検証することもできます　Mithril署名を適用すると この複雑さはすべて いくつかのブロックチェーン取引のマークルツリーとMithril署名の軽量な検証の抽出に置き換えられます　

これにより 計算 ネットワーク交換 ローカル交換などの時間や必要なリソースが大幅に改善され 高速な同期が可能となり 高いセキュリティ保証が得られるため より制約の多いデバイスへの適用が可能となりました　

次のスライドでは 高速で安全な同期の他に Daedalusウォレットやステークプール・オペレーターによるフルノードの実行 携帯電話でも実行可能なMithrilの完全信頼性アプローチなど Mithrilの使用事例が紹介されています　

モバイルクライアントは Mithril ノードから取得した証明書を使用する Mithril クライアントです　

ブロックチェーン上の証明のための速い検証に対応した手順となっています　

そして高度なセキュリティ設定にも対応しています　

SPVやブロックチェーン検証よりも効率的である可能性があります　

コンピュータゲームなど ユーザーソフトウェアがカルダノ・ブロックチェーン上でトランザクションを処理する必要がある場合 フルノードのウォレットを実装する選択肢はありませんが このユーザーソフトウェアは外部 API へのトラストレスなアクセスのために Mithril 署名を使用することができます　

ここでは 外部ソフトウェアに提供されるCardanoブロックチェーンで 軽量でトラストレスで安全な操作を実現しています　

次のスライドでは サイドチェーンの実行にミスリル署名をさらに応用しています　メインのCardanoブロックチェーンと 前方および後方転送によってメインチェーンに接続されるいくつかの優れたサイドチェーンを持っています　

さらに これらのサイドチェーンは異なるコンセンサスプロトコルを持つ可能性があります　

Mithril を使用すると すでに挙げた例のように 特定のブロックチェーンの現在の状態や 前方および後方転送の正確性を安全な方法で証明する 効率的な軽量ブロックチェーン状態検証も可能になります　

そして 「ミスリル」の最後の例として 私たちが今まで考えてきたのは ステークベースの投票アプリケーションとガバナンスです　

投票プロトコルの複雑さに関係なく これらのプロトコルによって行われる選挙の総結果があります　

投票プロトコルは 普遍的かつ個別的な検証可能性と他の重要なプロパティを提供する必要があります　

しかし 完全な検証を行うには 膨大な計算量とストレージ容量 そしてブロックチェーンの同期が必要となる場合があります　

ステークホルダーが分散化された意思決定プロセスを経て 簡単かつ検証可能な方法で最終結果を提供する場合 ステークホルダーによる重み付き投票手続きは有用であるため この場合 安全かつ軽量の全体検証にMithril署名が使用される可能性があります　

さて ここまでが既に整理したMithrilの主な応用分野です　

このように その背景には深い数学の理論と安全性の証明があり また応用の選択肢も広いのです　

そして今 私は個人的に実装チームJoeyに ステージはあなたのものであることを書いています　

ありがとうございました　

Joey Dodds:Mithrilのプロトタイプ実装を開発するグループ GaloisのJoey Doddsです　

まず始めに Galoisについて説明します　

わたしたちは先進的な研究開発会社です　

形式手法による暗号と 正しいハードウェア実装の研究に ほとんどの時間を費やしています　

そして かなり幅広いクライアントのために仕事をする傾向があります　

主なクライアントは 国防総省をはじめとする米国政府です　

また AWSやブロックチェーン企業との間で 暗号の検証 形式的な検証を幅広く行っています　

その他にも さまざまな商業クライアントと数多くの暗号化サービスを提供してきました　

GaloisとIOHKには多くの共通点があり IOHKと一緒に仕事ができることを非常に嬉しく思っています　

両社とも形式手法を非常に好み 高度な形式手法を使って あらゆることをより良くしていきたいと考えています　

私たちは主にHaskellを使用しており 多くの時間をHaskellで作業していますが それは意味のあるときに行います　

Haskellは 今回の初期実装やMithrilを含め 必ずしもその仕事に適したツールではありません　

そして 機会があればいつでも 暗号技術によって実現される技術を移行していきたいと考えています　

今回 Mithrilプロトコルのプロトタイプ実装を行うことになりました　

IOHK側ですでに行われている理論的な研究をすべて取り入れ Rustで実装する予定です　

Rustを使う理由は 非常に高速で安全なプロトタイピングを行うのに理想的だからです　

Mithrilがコードに実装されたときに意味をなすことを示すためです　

Rust にはすでに健全な暗号化エコシステムがあり それを利用することができます　

既存のオープンソースの取り組みが数多くあり この取り組みに活用できます　

また IOHKの研究を論文から直接取り出して実装する予定です　

最終的には 完全に文書化されたRust APIを備えたオープンソースのリポジトリがリリースされる予定です　

これは 簡単に使えるようにするためのものです　

しかし それだけではなく この講演で先に述べたように 複数の証明スキームを使用する機能が搭載され ボンネットの下で何が起こっているかを気にすることなく それらを交換することができるようになるはずです　

最初は2つの方式のうち より単純な方式でスタートしますが その後 より複雑な方式に移行し より小さな署名も使用するようにします　

また この実装は 開発者が内部で何が起こっているかを理解し 正確さを保証するための完全なテストスイートとともに提供されます　さらに このライブラリの性能を実感できるような徹底したベンチマークを開発するとともに ライブラリの進化に合わせて性能に関する情報を継続して提供する予定です　

というわけで さっそくMithrilの実装をお届けします　

この最初の実装は 私たちがこの仕事を進めていく上での始まりに過ぎません　

続いて BulletProofでより小さな署名ができるようになるかもしれません　

つまり より小さな証明のために 証明方法を交換することができるようになります　

私たちが提供するものは 完全に文書化され テストされたものですが まだプロトタイプの実装です　

これを製品化し ゴールデンタイムに間に合うようにするためには まだまだ多くの作業が必要です　

また 長い目で見れば Galoisの専門は形式検証です　

ですから 今後Mithrilの正しさについて形式的な証明を行う機会があることに 私たちはとても興奮しています　

Oleksandr Brezhniev:こんにちは 私の名前はOleksandr Brezhnievです　Idyllic Visonの共同創設者兼CEOです　私たちのビジョンは ブロックチェーンと自己主権型IDを使って 世界の最大の課題を解決することです　

現在 私たちはパートナーとともに ゼロ知識証明に基づく自己主権型IDプロトコルを構築しており 中央集権型および分散型の組織が 顧客の個人情報を取得・保存することなく 顧客のIDを洗練することを可能にしています　

例えば ある年齢以上であることを証明するために 書類を見せずに生年月日を共有したり 特定のアプリケーションのために対象国に居住していることを証明したりすることができます　

また 組織向けのクレデンシャル管理システム そしてエンドユーザー向けのモバイルウォレットも開発しています　

これは 多様なSSIソリューション間の相互運用性をサポートするものです　

私たちのこれまでの経験には パブリックおよびプライベートブロックチェーン上で構築するプロジェクト さまざまなブロックチェーンスケーリングソリューション IOHK研究チームと提携した過去のプロジェクトなどがあります　したがって CardanoとMithrilへの関与は 実りある協力関係の自然な発展なのです　

今回のプロジェクトでは 数カ月後にMithrilノードの概念実証を実施する予定です　

私たちはまず ソリューション・アーキテクチャの青写真を作成し 開発すべき多くのシステム・コンポーネントを定義し 既存のインフラストラクチャに有機的に統合することから始めます　

これには Mithril 暗号ライブラリ Cardanoノードとの統合や ノード間の通信のためのネットワーキングレイヤーなどが含まれます　

このフェーズの結果は Cardanoに統合される必要があります　

ノードの高速ブートストラップを可能にし 軽量クライアントのような追加機能のサポートを追加します　

すでに述べたように これは簡単そうに見えますが 解決すべき課題があります　

ネットワーク・ディスカバリーがどのように機能すべきかを解決する必要があります　

ノードはどのように閾値マルチシグネチャのための鍵を交換するのですか？クライアントはどのように証明書を検証するのか などです　

このように 私たちには興味深い仕事と取り組むべき課題がたくさんあります　

ということで 今日はここまでです　

ご清聴ありがとうございました　

Inigo Querejeta Azurmendi:さて 今日のトークはこの辺で終わりましょう　

皆さん 内容を楽しんでいただけたでしょうか？

このように 私たちは近い将来 たくさんのエキサイティングな仕事をすることになるでしょう　そして Mithrilの進捗を注意深く見守り これがまもなくCardanoで使用されるのを見たいと思います　ご清聴ありがとうございました　では 残りのサミットでお会いしましょう　

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