Proof of Latency Using a Verifiable Delay Function

Abstract

In this thesis I present an interactive public-coin protocol called Proof of Latency (PoL) that aims to improve connections in peer-to-peer networks by measuring latencies with logical clocks built from verifiable delay functions (VDF). PoL is a tuple of three algorithms, Setup(e, λ), VCOpen(c, e), and Measure(g, T, l_p, l_v). Setup creates a vector commitment (VC), from which a vector commitment opening corresponding to a collaborator's public key is taken in VCOpen, which then gets used to create a common reference string used in Measure. If no collusion gets detected by neither party, a signed proof is ready for advertising. PoL is agnostic in terms of the individual implementations of the VC or VDF used. This said, I present a proof of concept in the form of a state machine implemented in Rust that uses RSA-2048, Catalano-Fiore vector commitments and Wesolowski's VDF to demonstrate PoL. As VDFs themselves have been shown to be useful in timestamping, they seem to work as a measurement of time in this context as well, albeit requiring a public performance metric for each peer to compare to during the measurement. I have imagined many use cases for PoL, like proving a geographical location, working as a benchmark query, or using the proofs to calculate VDFs with the latencies between peers themselves. As it stands, PoL works as a distance bounding protocol between two participants, considering their computing performance is relatively similar. More work is needed to verify the soundness of PoL as a publicly verifiable proof that a third party can believe in.

Tässä tutkielmassa esitän interaktiivisen protokollan nimeltä Proof of latency (PoL), joka pyrkii parantamaan yhteyksiä vertaisverkoissa mittaamalla viivettä todennettavasta viivefunktiosta rakennetulla loogisella kellolla. Proof of latency koostuu kolmesta algoritmista, Setup(e, λ), VCOpen(c, e) ja Measure(g, T, l_p, l_v). Setup luo vektorisitoumuksen, josta luodaan avaus algoritmissa VCOpen avaamalla vektorisitoumus indeksistä, joka kuvautuu toisen mittaavan osapuolen julkiseen avaimeen. Tätä avausta käytetään luomaan yleinen viitemerkkijono, jota käytetään algoritmissa Measure alkupisteenä molempien osapuolien todennettavissa viivefunktioissa mittaamaan viivettä. Jos kumpikin osapuoli ei huomaa virheitä mittauksessa, on heidän allekirjoittama todistus valmis mainostettavaksi vertaisverkossa. PoL ei ota kantaa sen käyttämien kryptografisten funktioiden implementaatioon. Tästä huolimatta olen ohjelmoinut protokollasta prototyypin Rust-ohjelmointikielellä käyttäen RSA-2048:tta, Catalano-Fiore--vektorisitoumuksia ja Wesolowskin todennettavaa viivefunktiota protokollan esittelyyn. Todistettavat viivefunktiot ovat osoittaneet hyödyllisiksi aikaleimauksessa, mikä näyttäisi osoittavan niiden soveltumisen myös ajan mittaamiseen tässä konteksissa, huolimatta siitä että jokaisen osapuolen tulee ilmoittaa julkisesti teholukema, joka kuvaa niiden tehokkuutta viivefunktioiden laskemisessa. Toinen osapuoli käyttää tätä lukemaa arvioimaan valehteliko toinen viivemittauksessa. Olen kuvitellut monta käyttökohdetta PoL:lle, kuten maantieteellisen sijainnin todistaminen, suorituskykytestaus, tai itse viivetodistuksien käyttäminen uusien viivetodistusten laskemisessa vertaisverkon osallistujien välillä. Tällä hetkellä PoL toimii etäisyydenmittausprotokollana kahden osallistujan välillä, jos niiden suorituskyvyt ovat tarpeeksi lähellä toisiaan. Protokolla tarvitsee lisätutkimusta sen suhteen, voiko se toimia uskottavana todistuksena kolmansille osapuolille kahden vertaisverkon osallistujan välisestä viiveestä.