Babylon: ビットコインのマイニングを再利用してプルーフ・オブ・ステークのセキュリティを強化

1.1. プルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークへ

ビットコインのセキュリティは膨大な計算ハッシュパワー（約 $1.4 \times 10^{21}$ ハッシュ/秒）によって支えられており、攻撃を法外に高コストにしますが、その代償として莫大なエネルギー消費を伴います。一方、Ethereum 2.0、Cardano、Cosmosなどのプルーフ・オブ・ステーク（PoS）ブロックチェーンはエネルギー効率が良く、高速ファイナリティやステークスラッシングによるアカウンタビリティなどの機能を提供します。しかし、この移行は新たなセキュリティ課題をもたらします。

1.2. プルーフ・オブ・ステークのセキュリティ課題

本論文は、純粋なPoSシステムにおいて信頼最小化された暗号経済学的セキュリティを達成することの根本的な限界を特定しています：

• スラッシュ不可能な長距離攻撃（Non-Slashable Long-Range Attacks）: 攻撃者は、ステークが引き出された後に、過去に安価に取得したコインを使用して履歴を書き換えることができます。これは、累積的な難易度のためPoWでは不可能な行為です。
• スラッシュ不可能な検閲と停止（Non-Slashable Censorship & Stalling）: ライブネスに対する特定の攻撃は、経済的に罰することができません。
• ブートストラップ問題（Bootstrapping Problem）: トークン評価額の低い新しいPoSチェーンは、本質的なセキュリティを欠いています。

著者らは、外部の信頼仮定なしでは、いかなるPoSプロトコルもスラッシャブルな安全性を提供できないと主張しています。

2.1. コアアーキテクチャとマージマイニング

Babylonマイナーはビットコインとのマージマイニングを実行します。彼らは、既にマイニングしているビットコインブロックにBabylon関連のデータ（例：PoSチェーンのチェックポイント）を埋め込みます。これにより、Babylonは限界エネルギーコストゼロでビットコインと同じセキュリティレベルを獲得します。

2.2. データ可用性タイムスタンプサービス

BabylonがPoSチェーンに提供する中核サービスは、データ可用性タイムスタンプサービスです。PoSチェーンは以下にタイムスタンプを付与できます：

• ブロックチェックポイント（ファイナリティ用）
• 不正証明（Fraud proofs）
• 検閲されたトランザクション

データがBabylonを介してビットコイン上にタイムスタンプされると、ビットコインの不変性と検閲耐性を継承し、事実上ビットコインを堅牢なアンカーとして利用します。

3.1. 暗号経済学的セキュリティ定理

Babylonによって強化されたPoSプロトコルのセキュリティは、暗号経済学的セキュリティ定理によって形式的に捉えられます。この定理は、合理的で経済的に動機づけられたバリデータをモデル化し、スラッシングペナルティを考慮に入れた上で、安全性やライブネスを侵害するために必要なコストの観点からセキュリティを定義します。

3.2. スラッシャブルな安全性とライブネス

形式的分析は、Babylonが以下を可能にすることを示しています：

• スラッシャブルな安全性（Slashable Safety）: 安全性侵害（例：競合するチェックポイントを作成する長距離攻撃）は暗号的に証明可能であり、違反したバリデータのステークをスラッシュすることができます。安全性を攻撃するコストは、スラッシングペナルティを上回ります。
• スラッシャブルなライブネス（Slashable Liveness）: ライブネス攻撃の特定のクラス（例：タイムスタンプリクエストの持続的な検閲）も、識別可能で罰することが可能になります。

これにより、PoSのセキュリティは「誠実な多数派」仮定から、検証可能で経済的な仮定へと移行します。

4.1. 独自分析：核心的洞察と論理的流れ

核心的洞察： Babylonの真の革新性は、単なるハイブリッドコンセンサスにあるのではなく、ビットコインのハッシュパワーを埋没費用化され、未活用の資産と認識した点にあります。Babylonは、ビットコインと競合したり置き換えたりするのではなく、その200億ドル以上のセキュリティ予算を寄生（パラサイト）的に活用して、PoSの最も解決困難な問題を解決します。これは、Lightning Networkのようなレイヤー2ソリューションがビットコインのベースレイヤーを再発明せずに活用する方法を彷彿とさせる、「置換よりも共生」という古典的な戦略です。

論理的流れ： 議論は極めて明快です：1) 純粋なPoSだけではスラッシャブルな安全性を達成できない（彼らが主張する否定的結果）。2) 外部の信頼（例：社会的コンセンサス）は煩雑で遅い。3) ビットコインは、現存する中で最もコストが高く、分散化され、堅牢な外部信頼源を提供する。4) したがって、PoSの状態をビットコイン上にタイムスタンプして、そのセキュリティ特性を継承する。ステップ3から4への論理的飛躍こそが、マージマイニングを通じてこのタイムスタンプを効率的かつ暗号経済学的に健全なものにするというイノベーションの核心です。

強みと欠点： 主な強みは、洗練されたリソースの再利用です。これはPoSセキュリティの戦力倍増効果をもたらします。形式的セキュリティモデルも重要な貢献であり、Tendermint CoreやAlgorandのコンセンサスの分析に使用されるような厳密なフレームワークを提供します。しかし、このモデルの強みは、「合理的バリデータ」仮定と、攻撃コスト対スラッシングペナルティの正確な評価（複雑なゲーム理論問題）に大きく依存しています。重要な欠点は、ビットコインに対するライブネス依存性の導入です。ビットコインが長期にわたる混雑や壊滅的なバグを経験した場合、接続されたすべてのPoSチェーンのセキュリティが低下します。これは、ライブネスをビットコインのパフォーマンスに集中させる新たなシステミックリスク要因を生み出します。

実践的洞察： 投資家や開発者にとって、Babylonは新たな評価論理を生み出します：サービスとしてのセキュリティプラットフォームとしてのビットコイン。PoSチェーンは、もはや自らの時価総額だけでセキュリティをブートストラップする必要がなくなります。これは、新規チェーンの参入障壁を劇的に下げる可能性があります。実用的には、開発チームは、スラッシャブルな安全性を獲得することと、ファイナリティのレイテンシ下限としてビットコインの約10分のブロック時間を受け入れることとのトレードオフを評価すべきです。将来のロードマップでは、フォールバックメカニズムやビットコインだけでなく複数のPoWチェーンを活用するなど、ライブネス依存性への対応が必須となるでしょう。

4.2. 技術的詳細と数学的定式化

セキュリティは、攻撃者にとっての費用便益分析を通じて概念化できます。以下を定義します：

• $C_{attack}$：安全性攻撃（例：長距離改竄）を実行する総コスト。
• $P_{slash}$：その結果として証明可能にスラッシュできるステークの価値。
• $R$：攻撃からの潜在的な報酬。

プロトコルが暗号経済学的セキュリティを提供するとは、あらゆる実行可能な攻撃に対して、以下が成り立つことです：

$C_{attack} + P_{slash} > R$

純粋なPoSの長距離攻撃では、古いステークは引き出されているため $P_{slash} \approx 0$ です。Babylonは、PoSチェーンが不正証明にビットコイン上でタイムスタンプを付与できるようにすることで $P_{slash}$ を増加させ、侵害行為を否定不可能にし、（たとえ最近引き出されたものであっても）不変の記録に基づいてステークをスラッシュ可能にします。コスト $C_{attack}$ には現在、PoSチェーンの履歴と問題のタイムスタンプを含むビットコインブロックの両方を書き換えるコストが含まれますが、これは計算上不可能です。

タイムスタンププロセスには、PoSチェーンのチェックポイントの暗号的コミットメント（例：マークルルート）を作成し、マージマイニング中にOP_RETURN出力または類似の方法でビットコインブロックチェーンに埋め込むことが含まれます。

4.3. 分析フレームワークと事例ケース

シナリオ： Cosmosベースの新しいアプリケーション固有ブロックチェーン（「ゾーン」）が立ち上がろうとしていますが、初期トークン時価総額が低く（1000万ドル）、安価な長距離攻撃に対して脆弱です。

Babylon強化プロトコル：

1. ゾーンのバリデータは定期的に（例：100ブロックごとに）、チェーンの状態を表す署名付きブロックハッシュであるチェックポイントを作成します。
2. 彼らはこのチェックポイントをBabylonネットワークに送信します。
3. Babylonマイナーは、ビットコインブロックをマイニングしながら、チェックポイントのマークルルートをコインベーストランザクションに含めます。
4. ビットコインブロックが確定（例：6承認）すると、そのチェックポイントはゾーンによってファイナライズされたと見なされます。このファイナリティのセキュリティは、ビットコインのハッシュパワーによって裏付けられるようになります。

攻撃緩和： もし攻撃者が後からそのチェックポイント以前から分岐する競合チェーンを作成しようとした場合、タイムスタンプを含むブロックからビットコインチェーンも書き換えなければなりません。このコストは、ゾーン自身のステーキング価値よりも数桁高く、攻撃を経済的に非合理なものにします。さらに、チェックポイントに対する元のバリデータの署名は、彼らがその後アンバインド（ステーク引き出し）した後であっても、彼らの保証金をスラッシュするために使用できる不正証明を提供します。

このフレームワークは、セキュリティをゾーン自身の1000万ドルのステークの関数から、ビットコインの数十億ドル規模のセキュリティの関数へと変換し、事実上ビットコインのセキュリティを「レンタル」することを可能にします。