[論文レビュー] Scalable and Privacy-preserving Design of On/Off-chain Smart Contracts

Chao Li, Balaji Palanisamy+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 8被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、計算負荷が高くまたは機微な操作を参加者限定のプライベートなコントラクトにオフロードすることでスケーラビリティとプライバシーを向上させる、ハイブリッドなオンチェーン/オフチェーンスマートコントラクトアーキテクチャを提案する。一方、紛争発生時における結果の検証と強制をオンチェーンコントラクトで行うことで、効率的かつプライベートな実行が可能となり、署名済みのオフチェーンコントラクトインスタンスを用いたオンチェーン紛争解決が実現される。このアプローチにより、イーサリアム上で検証済みインスタンスメカニズムを用いて、プライベートで効率的な実行が可能となる。

ABSTRACT

The rise of smart contract systems such as Ethereum has resulted in a proliferation of blockchain-based decentralized applications including applications that store and manage a wide range of data. Current smart contracts are designed to be executed solely by miners and are revealed entirely on-chain, resulting in reduced scalability and privacy. In this paper, we discuss that scalability and privacy of smart contracts can be enhanced by splitting a given contract into an off-chain contract and an on-chain contract. Specifically, functions of the contract that involve high-cost computation or sensitive information can be split and included as the off-chain contract, that is signed and executed by only the interested participants. The proposed approach allows the participants to reach unanimous agreement off-chain when all of them are honest, allowing computing resources of miners to be saved and content of the off-chain contract to be hidden from the public. In case of a dispute caused by any dishonest participants, a signed copy of the off-chain contract can be revealed so that a verified instance can be created to make miners enforce the true execution result. Thus, honest participants have the ability to redress and penalize any fraudulent or dishonest behavior, which incentivizes all participants to honestly follow the agreed off-chain contract. We discuss techniques for splitting a contract into a pair of on/off-chain contracts and propose a mechanism to address the challenges of handling dishonest participants in the system. Our implementation and evaluation of the proposed approach using an example smart contract demonstrate the effectiveness of the proposed approach in Ethereum.

研究の動機と目的

• 現在のオンチェーンスマートコントラクトが、すべてのロジックを公開的かつ徹底的にブロックチェーン上で実行するためのスケーラビリティとプライバシーの制限を解消すること。
• 高コストまたは機微な計算を、関係する参加者だけがオフチェーンで実行することで、マイナーの負荷を軽減し、プライベートデータを隠蔽すること。
• 誠実な参加者が、署名済みのオフチェーンコントラクトコピーをオンチェーンに提出することで、正しい実行結果をオンチェーンで強制できる紛争解決メカニズムを提供すること。
• 既存のブロックチェーンシステム（例：イーサリアム）と互換性がある、即席で利用可能なアプリケーションレベルのスマートコントラクトパターンを設計すること。
• イーサリアムのKovanテストネット上での実装と評価を通じて、ハイブリッドモデルの実現可能性と有効性を実証すること。

提案手法

• モノリシックなスマートコントラクトを、パブリックで低コストな関数を処理するオンチェーンコントラクトと、プライベートで高コストな関数を処理するオフチェーンコントラクトの2つのコンponentに分割する。
• すべての参加者が署名することで、オフチェーンコントラクトをオンチェーンコントラクトに束縛し、整合性と真正性を保証する。
• 誠実な参加者が、オフチェーンコントラクトの署名済みコピーをオンチェーンコントラクトに提出し、検証済みインスタンスを作成できるようにする。
• コントラクト作成ロジックを通じて、オンチェーンとオフチェーンコントラクトの間に一意なリンクを確立し、すべての参加者によって署名された、合意されたオフチェーンコントラクトのみがオンチェーンで検証可能であることを保証する。
• 実装のための互換性と再利用性を確保するため、イーサリアムの既存インfraとソリディティを活用する。
• 検証済みインスタンスを用いて、オフチェーン実行が暗号的に検証された場合にのみ、オンチェーンコントラクト上の状態変更を強制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートコントラクト実行をブロックチェーンから分離することで、スケーラビリティとプライバシーをどのように向上させられるか？
• RQ2 パブリックなオンチェーン検証に依存せずに、オフチェーンコントラクト実行の整合性と真正性をどのように保証できるか？
• RQ3 誠実な参加者が、オフチェーンコントラクト実行における不正行動を検出し是正するにはどのような仕組みが必要か？
• RQ4 信頼できない環境下で、オフチェーンコントラクトの結果を強制するために必要な最小限のオンチェーンフットプリントは何か？
• RQ5 ハイブリッドなオンチェーン/オフチェーンモデルを、イーサリアムのような既存のスマートコントラクトプラットフォームで後方互換性を持つ設計パターンとして実装可能か？

主な発見

• 提案されたオンチェーン/オフチェーンコントラクトモデルにより、高コストかつ機微な操作をブロックチェーン外に移行することで、オンチェーンの計算負荷が削減され、スケーラビリティが向上する。
• オフチェーンコントラクト内の機微なデータとロジックは、パブリックには表示されないため、完全にオンチェーンで実行する場合と比較して、プライバシーが著しく向上する。
• 署名済みコピーを通じて、オフチェーンコントラクトの結果をオンチェーンで検証できるメカニズムを提供し、紛争解決と正しい結果の強制が可能になる。
• 検証済みインスタンス作成プロセスにより、すべての参加者によって署名された合意事項のみがオンチェーンで強制可能となるため、不正な実行を防止できる。
• イーサリアムのKovanテストネット上での実装により、既存のスマートコントラクト開発ワークフローへの最小限の変更で、アプローチの実現可能性と有効性が実証された。
• このアプローチは、既存のブロックチェーンインfraと互換性があり、ゼロ知識証明やシャーディングなどの他のプライバシーやスケーラビリティソリューションと組み合わせて利用可能である。