Smart contract sharding with proof of execution

Abstract

Nowadays, Decentralized Networks based on Blockchain technology are actively researched. A special place in these researches is occupied by Smart Contracts that are widely used in many areas, such as Decentralized Finance (DeFi), real estate, gambling, electoral process, etc. Nevertheless, the possibility of their widespread adoption is still not a solved problem. This is caused by the fact of their limited flexibility and scalability. In other words, Smart Contracts cannot process a large number of contract calls per second, lack of direct Internet access, inability to operate with a large amount of data, etc. This article is devoted to the development of the Sharding Concept for Decentralized Applications (DApps) that are expressed in form of Smart Contracts written in WebAssembly. The aim of the research is to offer a new Concept of Smart Contract that will increase the scaling due to applying the idea of Sharding that allows avoiding doing the same work by all nodes on the Network and flexibility due to the possibility of interaction with the Internet without special Oracles. During the research, decentralized 0ata storages with the possibility of collective decision-making were developed. The scheme of forming Drives that assumes that each Contract is executed by a set of randomly selected nodes that allows avoiding cahoots and prevents Sybil Attack is offered. Such an approach allowed using Drives as a base layer for Smart Contracts. Moreover, Drives can be used as a standalone solution for decentralized data storing. The features of coordination of results of Contracts execution that greatly expands the possibilities of the Contracts compared to Ethereum Smart Contracts, and, in particular, allow the Contracts to interact with the Internet are described. The Rewards Concept that incentivizes all nodes that honestly execute the Contracts, unlike other systems where only the block producer is rewarded, is developed. It is based on the specially developed Proof of Execution – a special algorithm that allows detecting all the nodes that honestly execute the Contracts. In order to make the Proof of Execution more compact, an extension for the existing discrete logarithm zero-knowledge proofs that makes it possible to consistently prove knowledge of dynamically expanding set of values with minimal computational and memory complexity so-called Cumulative Discrete Logarithm Zero-Knowledge Proof is developed. Thus, in this article, the new concept of Smart Contracts Sharding empowered by economic leverages is researched. The main advantages of the proposed approach are the possibility of interaction with the Internet and big data processing. Moreover, the mechanism of incentivizing nodes to honestly execute the Smart Contracts is developed. In addition, the Cumulative Proof that is necessary for the cryptographic strength of the specified mechanism is offered and its correctness is proven. The obtained results can be used to implement Smart Contracts in decentralized systems, in particular, working on the basis of Blockchain technology, especially in the case of demanding high bandwidth and performance.

Останнім часом активно досліджуються децентралізовані мережі на основі технології блокчейн. Особливе місце в цих дослідженнях займають Смарт Контракти, що широко використовуються в багатьох галузях, таких як децентралізовані фінанси (DeFi), нерухомість, азартні ігри, виборчі процеси тощо. Тим не менше, можливість їх широкого застосування є досі не вирішеною проблемою. Це викликано тим, що вони мають обмежену гнучкість та масштабованість. Іншими словами, Смарт Контракти не можуть обробляти велику кількість викликів у секунду, відсутність прямого доступу до мережі Інтернет, неможливість роботи з великою кількістю даних тощо. Дана робота присвячена розробці концепції шардування для децентралізованих програм (DApps) у формі контрактів, написаних на WebAssembly. Пропонується концепція, яка передбачає, що кожен Контракт виконується набором випадково обраних вузлів, що дозволяє уникнути змови та запобігти атаці Сивілли. Під час дослідження були розроблені децентралізовані Сховища даних з можливістю колективного прийняття рішень. Запропонована схема формування Сховищ, яка передбачає, що кожен Контракт виконується набором випадково вибраних вузлів, що дозволяє уникнути змови та запобігти атаці Сивілли. Такий підхід дозволив використовувати Сховища як базовий рівень для Смарт Контрактів. Крім того, Сховища можна використовувати як автономне рішення для децентралізованого зберігання даних. Описано особливості узгодження результатів виконання Контрактів, що значно розширює можливості Контрактів порівняно з Ethereum Smart Contracts і, зокрема, дозволяє взаємодіяти Контрактам з Інтернетом. Розроблено концепцію винагороди, яка стимулює всі вузли, які чесно виконують Контракти, на відміну від інших систем, де винагороду отримує лише блок продюсер. Вона базується на спеціально розробленому Доказі Виконання (Proof of Execution) – спеціальному алгоритмі, який дозволяє виявляти всі вузли, які чесно виконують Контракти. Для того, щоб зробити Доказ Виконання більш компактним, розроблено кумулятивне розширення існуючого алгоритму доведення знання дискретного логарифму з нульовим розголошенням, що дає можливість послідовно доводити знання динамічно розширюваного набору значень з мінімальною обчислювальною та пам’ятною складністю. Таким чином, у цій статті досліджується нова концепція шардування Смарт Контрактів, що наділена економічними важелями. Основними перевагами запропонованого підходу є можливість взаємодії з мережею Інтернет та обробка великих об’ємів даних. Крім того, розроблено механізм стимулювання вузлів до чесного виконання Смарт Контрактів. А також пропонується Доказ Виконання, що необхідно для криптографічної міцності зазначеного механізму, та доведена його корректність. Отримані результати можуть бути використані для реалізації Смарт Контрактів у децентралізованих системах, зокрема, що працюють на основі технології Blockchain, особливо у випадку вимог до високої пропускної здатності та продуктивності.