[論文レビュー] Blockchain Timestamping Architecture Version 6 (BTAv6)

Adán Sánchez de Pedro Crespo, Luis Iván Cuende García|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 1被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、階層的メルクルツリーとメッセージキューを用いて、ブロックチェーンに膨大な量のデータをアンカーリングするスケーラブルでコスト効率の良いシステムであるブロックチェーンタイムスタンピングアーキテクチャバージョン6（BTAv6）を提案する。データのハッシュをメルクルルートに集約し、EthereumおよびBitcoinに協調的かつリーダー選出方式で公開することで、証明をAMQPベースのルーティングで配信する。これにより、タイムスタンプ1件あたりの余剰コストはほぼゼロに抑えられ、データを公開せずに普遍的な検証が可能となるプライバシー保護型のタイムスタンピングを実現する。

ABSTRACT

A method for timestamping, anchoring and certification of a virtually unlimited amount of data in one or more blockchains, focusing on scalability and cost-effectiveness while ensuring existence, integrity and ownership by using cryptographic proofs that are independently verifiable by anyone in the world without disclosure of the original data and without the intervention of the certifying party.

研究の動機と目的

• OP_RETURNベースのブロックチェーンタイムスタンピングにおけるスケーラビリティとコストの制限を解消すること。これは、1トランザクションあたり80バイトまでしかデータアンカーリングができないことと、高額な手数料が発生することに起因する。
• メルクルツリーにハッシュを集約することで、数百万件のデータユニットを効率的にアンカーリングし、ブロックチェーンに送信するのはルートのみとする、コスト効率の高い高スループットのアンカーリングを実現すること。
• 元のデータを公開せずに、存在性と整合性の暗号的検証が可能な、プライバシー保護型の証明を提供すること。
• AMQPを用いたメッセージキューを介した分散型で、リーダー選出方式の協調プロトコルにより、単一障害点を排除し、フェイルセーフを確保すること。
• 1フレームごとに1つのリーダーを選出し、1つのブロックチェーントランザクションを発行することで、システム規模にかかわらずトランザクションコストを一定に保つこと。

提案手法

• 数百万件のデータユニットを1つのルートハッシュに圧縮するために、階層的メルクルツリーにデータハッシュを集約する。
• 負荷分散のため、複数のノードにラウンドロビン方式でハッシュ処理をAMQPメッセージキュー（RabbitMQ）を介して分散する。
• エポックベースのノード名ハッシュを用いた時刻同期型リーダー選出プロトコルを実装し、1つのノードがBitcoinに最終的なメルクルルートを発行する。
• 10分ごとにリーダー選出ノードがEthereumのルートをBitcoinに発行することで、最小限のトランザクションコストでクロスチェーンアンカーリングを実現する。
• データハッシュまたはルートハッシュをルーティングキーとして使用し、直接AMQPエクスチェンジを介して証明をユーザーに配信する。これにより、安全かつターゲット指向の配信を実現する。
• 誰もが元のデータにアクセスせずに、データユニットの存在性と整合性を検証できる暗号的証明（メルクル証明）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1件あたりのコストを抑えつつ、数百万件のデータユニットをサポートできるようにブロックチェーンタイムスタンピングをどのようにスケーリングできるか？
• RQ2 複数ノード間でどのように分散型協調を実現し、重複するブロックチェーントランザクションを回避できるか？
• RQ3 元のデータを公開せずに、どのように効率的に検証可能でプライバシー保護型の証明をユーザーに配信できるか？
• RQ4 どのようなアーキテクチャパターンが分散型タイムスタンピングシステムにおけるフェイルセーフとレジリエンスを実現できるか？
• RQ5 ブロックチェーンアンカーリングのコストを、タイムスタンプ対象のデータユニット数からどのように分離できるか？

主な発見

• データをメルクルツリーに集約し、ブロックチェーンに送信するのはルートのみであるため、1件あたりの余剰コストが漸近的にゼロに近づき、スケールにかかわらず単位コストが一定に保たれる。
• リーダー選出プロトコルを用いることで、10分ごとのフレームごとに1件のブロックチェーントランザクションしか発行されないため、ノード数が増加しても1日あたりのトランザクションコストが一定に保たれる。
• AMQPベースのメッセージルーティングにより、障害発生時に未確認のメッセージが自動的に稼働中のノードに再ルーティングされるため、フェイルセーフ性が確保される。
• 誰もが元のデータにアクセスせずに、メルクル証明を用いて存在性と整合性を独立して検証できる、検証可能でプライバシー保護型の証明を提供する。
• 固定時間フレーム（Ethereumは1分、Bitcoinは10分）とエポックベースのリーダー選出を用いることで、ノード間の同期が保たれ、一貫性が確保される。
• 最終的な証明構造により、ユーザーはブロックチェーンルートと最小限のメルクルパスのみを用いて、データの存在性と整合性を検証可能であり、普遍的かつ独立した検証性が保証される。