[論文レビュー] Qanaat: A Scalable Multi-Enterprise Permissioned Blockchain System with Confidentiality Guarantees

Mohammad Javad Amiri, Boon Thau Loo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2021

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 4

ひとこと要約

Qanaat は、パブリック、ローカル、中間データコレクションの階層的データモデルを通じて、共同作業ワークフローにおける機密性を保証するスケーラブルでマルチエンタープライズ向けの許可ブロックチェーンシステムである。制限付きのトランザクション順序付け方式と一連のコンセンサスプロトコルを用い、企業間およびシャーディング内での安全で高性能なトランザクション処理を実現し、スケーラビリティにおいて Hyperledger Fabric やその変種を上回る性能を発揮しながら、データの機密性を維持する。

ABSTRACT

Today's large-scale data management systems need to address distributed applications' confidentiality and scalability requirements among a set of collaborative enterprises. This paper presents Qanaat, a scalable multi-enterprise permissioned blockchain system that guarantees the confidentiality of enterprises in collaboration workflows. Qanaat presents data collections that enable any subset of enterprises involved in a collaboration workflow to keep their collaboration private from other enterprises. A transaction ordering scheme is also presented to enforce only the necessary and sufficient constraints on transaction order to guarantee data consistency. Furthermore, Qanaat supports data consistency across collaboration workflows where an enterprise can participate in different collaboration workflows with different sets of enterprises. Finally, Qanaat presents a suite of consensus protocols to support intra-shard and cross-shard transactions within or across enterprises.

研究の動機と目的

• 相互に信頼できない複数の企業が関与するブロックチェーンアプリケーションにおけるスケーラビリティと機密性の課題を解決すること。
• 同じワークフロー内でも、他の企業にデータを暴露せずに、企業のサブセット間でのプライベートな連携を可能にすること。
• 同じ企業が異なるパートナーと複数の連携ワークフローに参加する場合のデータ一貫性を保証すること。
• 悪意あるノードによる機密データの漏洩を防ぐためにプライバシーファイアウォールメカニズムを導入すること。
• シャーディングと最適化されたコンセンサスプロトコルを活用して、シャーディング内およびシャーディング間のトランザクション処理を高スルーレートで実現すること。

提案手法

• Qanaat は、パブリック（グローバルにレプリケートされる）、ローカル（企業固有の）、および中間（共同する企業のサブセット間で共有される）の3種類のデータコレクションを持つ階層的データモデルを採用する。
• データ一貫性を保つために必要な最小限の制約のみを課すトランザクション順序付け方式を導入し、グローバル順序付けのオーバーヘッドを最小限に抑える。
• 悪意あるノードによる機密データの漏洩（リクエスト、応答、保存済みレコードを含む）を防ぐためにプライバシーファイアウォールメカニズムを採用する。
• 各企業は自身のデータを複数のシャーディングに分割し、各シャーディングを処理する専用のノードクラスタを割り当てることでスケーラビリティを向上させる。
• シャーディング内およびシャーディング間のトランザクションを処理するためのコンセンサスプロトコルのスイートを設計し、企業間トランザクションにはコーディネータベースのプロトコル、シャーディング間トランザクションにはフラット化されたプロトコルを採用する。
• 改ざんに強いレジャーベースの仕組みにより、データの履歴追跡を検証可能で透明なものにし、複数のワークフローにわたるデータのルートを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 許可ブロックチェーンシステムは、任意の企業サブセット間での機密性のある連携を、データ一貫性を保ちながらどのように実現できるか？
• RQ2 複数企業・複数ワークフロー環境下で正しく動作させるために、性能へのオーバーヘッドを最小限に抑えるトランザクション順序付け戦略は何か？
• RQ3 受動的観察者だけでなく、ネットワーク内に存在する悪意あるノードに対しても、どのようにしてデータ機密性を確保できるか？
• RQ4 複数企業・シャーディングアーキテクチャにおいて、シャーディング内およびシャーディング間のトランザクション処理に高いスケーラビリティを実現するコンセンサスプロトコルの設計は何か？
• RQ5 同じ企業が異なるパートナーと複数の連携ワークフローに参加する場合、どのようにしてデータ一貫性を維持できるか？

主な発見

• Qanaat は、特に企業間トランザクションワークロードにおいて、グローバル順序付けのオーバーヘッドを低減することで、Hyperledger Fabric やその変種を大きく上回る高いスルーレートを達成する。
• 企業間トランザクション処理ではコーディネータベースのコンセンサスプロトコルがフラット化されたプロトコルを上回る性能を発揮するが、シャーディング間トランザクションではフラット化プロトコルが優れたパフォーマンスを示す。
• 中間データコレクションを含む階層的データモデルにより、関与しない当事者に影響を与えることなく、企業のサブセット間での機密性のある連携が可能になる。
• プライバシーファイアウォールメカニズムは、ネットワークの一部を制御する悪意あるノードに対しても、データ漏洩を効果的に防止する。
• トランザクション順序付け方式により、不要なグローバル順序付け制約を削減し、複雑なワークフローにおけるデータ一貫性を維持しながらパフォーマンスを向上させる。
• Qanaat のシャーディングとコンセンサス設計は、同じ企業が複数のパートナーと関与する複数の連携ワークフローにおいても、スケーラブルで安全かつ一貫性のあるデータ処理を実現する。