[論文レビュー] Privacy in Blockchain Systems

Jad Wahab|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

この文献レビューでは、公開で許可なしのブロックチェーンにおけるプライバシー保護技術を検討し、ビットコインやイーサリアムの手法から、ゼロ知識証明、リング署名、セキュアなマルチパーティ計算に至る高度な手法まで分析している。Zcash、Hawk、Chainspaceといったシステムを評価し、ブロックチェーンにおけるプライバシーは急速に進展しているものの、スケーラビリティ、効率性、実用的導入における課題は依然として解決されていないと結論している。

ABSTRACT

In this literature review, we first briefly provide an introduction on the privacy aspect of blockchain systems and why it is a difficult quality to achieve, especially using traditional methods. Next, we go over a wide range of different strategies and techniques, along with their respective empirical implementations. Starting with approaches that attempted to provide privacy on Bitcoin/existing blockchain systems, then going into more advanced techniques, such as secure multi-party computations, ring signatures, and zero knowledge proofs, that construct a more advanced blockchain system from scratch with the objective of preserving privacy. Finally, we conclude that the current state of privacy on blockchains still needs work for it to be reliable. Nevertheless, the field of privacy in this domain is developing and advancing at a rapid rate.

研究の動機と目的

• 公開で許可なしのブロックチェーンシステムにおけるプライバシーの現状を分析すること、特にビットコインとイーサリアムに焦点を当てる。
• CoinJoin やステートチャネルといった伝統的なプライバシー保護手法が、強固なプライバシー保証を達成できない理由を評価すること。
• ゼロ知識証明、リング署名、セキュアなマルチパーティ計算といった高度な暗号技術を用いて、プライバシーを設計段階から組み込むブロックチェーンシステムを構築するための調査を行うこと。
• Zcash、Hawk、Chainspaceといった既存のプライバシー強化ブロックチェーンプラットフォームの実用的妥当性とパフォーマンスのトレードオフを評価すること。
• スケーラブルで効率的かつ暗号的に堅牢なブロックチェーンにおけるプライバシーを実現するための未解決の研究課題を特定すること。

提案手法

• ビットコインとイーサリアムを含む基盤となるブロックチェーンシステムと、それらの公開で透明な取引帳簿に起因する固有のプライバシー制限を調査した。
• 取引の混合を通じて取引の関連性を曇らせる直接的手法、例えばCoinJoin やマージ回避についてレビューした。
• イーサリアムにおけるステートチャネルとプライバシー保護型スマートコントラクトを分析し、高いガスコストとスケーラビリティの問題を浮き彫りにした。
• 高度な暗号技術の探求：リング署名（例：CryptoNote）、ゼロ知識証明（例：Zcash/Pinocchio、ZK-SNARKs）、セキュアなマルチパーティ計算（例：Enigma）。
• プライバシーを設計段階から組み込むシステム、例えばChainspaceを評価した。Chainspaceは、プライベートデータを露呈せずに計算を検証するゼロ知識証明を用い、シャーディングされたビザンチン原子的コミット（S-BAC）を用いてシャーディング間の整合性を保証する。
• Chainspaceのアーキテクチャを検討した。ユーザーは契約をローカルで実行し、ノードによる検証のために暗号化された出力とゼロ知識証明のみを送信することで、プライバシーと整合性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビットコインやイーサリアムのような公開ブロックチェーンの根本的なプライバシー制限とは何か。なぜ伝統的な手法は不十分なのか。
• RQ2 ゼロ知識証明やリング署名といった高度な暗号技術は、構文的オブスカリティ手法と比較して、ブロックチェーンシステムにおけるプライバシーをどのように向上させるのか。
• RQ3 Zcash、Hawk、Chainspaceといったシステムは、信頼できる第三者に依存せずにエンドツーエンドのプライバシーをどの程度達成できるのか。
• RQ4 イーサリアムのような既存のブロックチェーンプラットフォームにプライバシー保護型スマートコントラクトを導入する際のパフォーマンスとスケーラビリティのトレードオフは何か。
• RQ5 ChainspaceにおけるシャーディングされたコンSENSUSプロトコルS-BACは、複数のシャーディングにまたがる取引の整合性とプライバシーをどのように保証するのか。

主な発見

• CoinJoin やステートチャネルといった伝統的なプライバシー手法は、リンク分析に対して脆弱であり、強固な暗号的保証を提供しない。
• Zcashが実装するZK-SNARKsは、強固な暗号的プライバシーを提供する私的取引を可能にするが、高い計算オーバーヘッドと信頼できるセットアップに依存するという代償を伴う。
• Hawkのイーサリアム上でのプライバシー保護型スマートコントラクトは理論的には妥当であるが、ガスコストが極めて高く、実用的ではない。一例として、1回のデプロイと実行に約94ドルのコストがかかる。
• Chainspaceは、ユーザーが契約をローカルで実行し、ノードによる検証のためにゼロ知識証明のみを送信することで、プライバシーを設計段階から組み込む。信頼できる第三者の必要性を排除する。
• ChainspaceにおけるS-BACプロトコルは、3f+1ノード構成におけるf台の悪意あるノードを許容しつつ、シャーディング間の取引整合性とフォールトトレランスを保証する。
• 進展は見られるものの、現在のプライバシー解決策は依然として非効率的で高コストであり、特に高スルーレートのシナリオでは実用的導入を制限する顕著なパフォーマンスボトルネックが存在する。