[論文レビュー] Implementation of Smart Contracts Using Hybrid Architectures with On- and Off-Blockchain Components

Carlos Molina-Jiménez, Ioannis Sfyrakis+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 29被引用数 5

ひとこと要約

この論文では、スケーラビリティと信頼性の制限を克服するため、実行をブロックチェーン上（イーサリアム）とブロックチェーン外のコンponentに分割するハイブリッドスマートコントラクトアーキテクチャを提案する。信頼できる第三者機関（TTP）を用いてブロックチェーン外での検証を行い、最終的な判断はイーサリアムで行うことで、パフォーマンスとサービス品質（QoS）の向上を達成した。Rinkebyネットワーク上で機械的テストシーケンスを用いた検証により、有効性が裏付けられた。

ABSTRACT

Recently, decentralised (on-blockchain) platforms have emerged to complement centralised (off-blockchain) platforms for the implementation of automated, digital (smart) contracts. However, neither alternative can individually satisfy the requirements of a large class of applications. On-blockchain platforms suffer from scalability, performance, transaction costs and other limitations. Off-blockchain platforms are afflicted by drawbacks due to their dependence on single trusted third parties. We argue that in several application areas, hybrid platforms composed from the integration of on- and off-blockchain platforms are more able to support smart contracts that deliver the desired quality of service (QoS). Hybrid architectures are largely unexplored. To help cover the gap, in this paper we discuss the implementation of smart contracts on hybrid architectures. As a proof of concept, we show how a smart contract can be split and executed partially on an off-blockchain contract compliance checker and partially on the Rinkeby Ethereum network. To test the solution, we expose it to sequences of contractual operations generated mechanically by a contract validator tool.

研究の動機と目的

• 厳格なサービス品質（QoS）要件を満たすために、純粋にオンチェーンまたはオフチェーンのスマートコントラクトプラットフォームに見られる制限を解消すること。
• ブロックチェーンの信頼性とオフチェーンシステムのパフォーマンスを組み合わせたハイブリッドアーキテクチャを検討すること。
• 論理の一部をイーサリアムで実行し、他の一部を信頼できるオフチェーンコンponentで実行する実用的なハイブリッドスマートコントラクトの実装を示すこと。
• 契約検証ツールによって生成された自動テストシーケンスを用いて、アーキテクチャを検証すること。
• 複数の独立したプラットフォームを統合する将来的なクロススマートコントラクトアプリケーションの基盤を提供すること。

提案手法

• スマートコントラクトは2つのコンponentに分割される：オフチェーンの契約準拠チェックモジュールと、オンチェーンにデプロイされた判断検証モジュール（イーサリアムRinkebyネットワーク上）。
• オフチェーンコンponentは、標準APIを用いて契約操作の初期検証を実施し、その結果をオンチェーンコンponentに返却する。
• オンチェーンコンponentは、オフチェーンモジュールからの入力を受信し、その正当性を検証した上で、判断結果を不変ログに記録する。
• システムはオンチェーン論理にイーサリアムのSolidity言語を用い、標準インターフェースに依存することで、コンponent間の相互運用性を実現する。
• 本アーキテクチャは、現実世界の使用状況を模擬するため、機械的に生成された契約操作シーケンスを用いてテストされた。
• コンponent間の連携は、明確に定義されたゲートウェイとAPIを介して管理され、複数のオンチェーンおよびオフチェーンコンponentへの拡張性が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンチェーンおよびオフチェーンコンponentを組み合わせたハイブリッドアーキテクチャは、純粋なブロックチェーンまたは集中型システムと比較して、スマートコントラクトのサービス品質（QoS）を著しく向上させることができるか？
• RQ2 オフチェーンコンponentを、信頼性と整合性を保ちつつ、オンチェーン検証と安全に統合する方法は何か？
• RQ3 検証可能でテスト可能な振るまいを有するハイブリッドスマートコントラクトシステムを設計・実装する際の実用的課題は何か？
• RQ4 オフチェーンコンponentがセキュリティを損なわずに、パフォーマンスを向上させ、トランザクションコストを削減する程度はどの程度か？
• RQ5 このようなハイブリッドアーキテクチャは、複数の相互接続されたスマートコントラクトを、独立した複数のプラットフォーム間でサポートできるように一般化可能か？

主な発見

• ハイブリッドアーキテクチャは、高スループット・低レイテンシの検証と、最終的で信頼できない検証を明確に分離することで、全体的なQoSの向上を達成した。
• オフチェーンコンponentは、初期チェックを処理することでオンチェーン負荷を軽減し、スケーラビリティの向上とトランザクション手数料の削減を実現した。
• 機械的に生成された契約操作シーケンスを用いたテストにより、関数的正しさと耐障害性が実証された。
• オフチェーン操作に信頼できる第三者機関（TTP）を用いることで、パフォーマンスの向上が達成された一方で、オンチェーンでの最終的妥当性検証により検証可能性が維持された。
• アーキテクチャは拡張可能かつ合成可能であり、標準化されたAPIを介して、将来的に複数のオンチェーンおよびオフチェーンコンponentの統合が可能であることが示された。
• 本アプローチは、特に高スループットおよび低レイテンシを要するアプリケーションに適した、現実的で実装可能なブロックチェーンベーススマートコントラクトの現在の制限を克服するソリューションを提供する。