[論文レビュー] SilentDelivery: Practical Timed-delivery of Private Information using Smart Contracts

Chao Li, Balaji Palanisamy|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

SilentDelivery は、ブロックチェーン上のしきい値秘密分散とスマートコントラクトを用いて、時限的な情報配信のための分散型で安全かつコスト効率の良いプロトコルを提案する。送信者は配達を依頼する「メールマン」のグループに暗号鍵の一部を分散し、配達時刻にのみ情報が復号可能となる。この仕組みにより、機密性と可用性が確保され、Ethereum 上でスマートコントラクトのコストを 85% 削減する。

ABSTRACT

This paper proposes SilentDelivery, a secure, scalable and cost-efficient protocol for implementing timed information delivery service in a decentralized blockchain network. SilentDelivery employs a novel combination of threshold secret sharing and decentralized smart contracts. The protocol maintains shares of the decryption key of the private information of an information sender using a group of mailmen recruited in a blockchain network before the specified future time-frame and restores the information to the information recipient at the required time-frame. To tackle the key challenges that limit the security and scalability of the protocol, SilentDelivery incorporates two novel countermeasure strategies. The first strategy, namely silent recruitment, enables a mailman to get recruited by a sender silently without the knowledge of any third party. The second strategy, namely dual-mode execution, makes the protocol run in a lightweight mode by default, where the cost of running smart contracts is significantly reduced. We rigorously analyze the security of SilentDelivery and implement the protocol over the Ethereum official test network. The results demonstrate that SilentDelivery is more secure and scalable compared to the state of the art and reduces the cost of running smart contracts by 85%.

研究の動機と目的

• 中央集権的な時限情報配信サービス（TIDS）の限界、特に単一の信頼ポイントに依存し、侵害や内部者攻撃に対して脆弱である点を是正すること。
• 信頼できる第三者に依存せず、プライバシー、可用性、フェアネスを確保する分散型 TIDS プロトコルを設計すること。
• 特にリクルート関係の可視性とスマートコントラクトの高コストという点で、ブロックチェーンベースの TIDS におけるスケーラビリティとセキュリティの課題を克服すること。
• しきい値秘密分散とスマートコントラクトインセンティブを組み合わせることで、安全でスケーラブルかつ低コストな時限配信実行を実現すること。
• 機密性と時限ロックされた情報公開を要する実世界の応用に向けた実用的で生産環境対応のソリューションを提供すること。

提案手法

• SilentDelivery は、プライベートな情報の復号鍵を n 名のメールマンに分散配布するしきい値秘密分散を用いる。
• 送信者は、配達時刻の前にスマートコントラクトを通じて n 名のメールマンをリクルートし、各メールマンは鍵の一部と暗号化されたメッセージのコピーを保持する。
• プロトコルは、第三者（含むブロックチェーンの観察者）がリクルート関係を特定できないようにする「サイレントリクルートメント」を採用し、配達時刻までプライバシーを保持する。
• 通常は軽量モードで実行してガスコストを削減するが、必要に応じて完全な検証モードに切り替える「デュアルモード実行」を実装する。
• スマートコントラクトが全プロセスを管理し、不正行為に対するペナルティとして、保証金としての暗号資産を事前にロックする。
• ブロックチェーンの不変性と最終性を活用することで、プロトコルはライブネスとパーシステンスを確保し、DoS 攻撃や配達拒否攻撃を防止する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できる第三者に依存せず、プライバシー、可用性、フェアネスを確保する分散型時限情報配信システムをどのように設計できるか？
• RQ2 透明なブロックチェーン環境下で、リクルート関係の第三者監視を防ぐにはどのようなメカニズムが必要か？
• RQ3 ブロックチェーンベースの TIDS におけるスマートコントラクト実行コストを、セキュリティを損なわずに著しく低減するにはどうすればよいか？
• RQ4 しきい値秘密分散に基づく時限配信プロトコルにおいて、セキュリティ、スケーラビリティ、コスト効率の間にはどのようなトレードオフがあるか？
• RQ5 しきい値秘密分散とスマートコントラクトインセンティブの組み合わせにより、Ethereum のようなパブリックブロックチェーン上でも強固なセキュリティと実用的導入を両立できるか？

主な発見

• SilentDelivery はデュアルモード実行戦略により、従来のアプローチと比較してスマートコントラクトの実行コストを 85% 削減した。
• サイレントリクルートメントにより、配達時刻まで第三者（含むブロックチェーンの観察者）がリクルート関係を把握できない強力なプライバシー保証を達成した。
• n 名のメールマンのグループを用い、しきい値秘密分散により、t 名（t < n）のメールマンが誠実かつ稼働している限り、メッセージの可用性が保証される。
• 標準的な暗号的仮定の下で、プロトコルは形式的に安全であると証明されており、不正行為に対してはスマートコントラクトベースの保証金が没収され、フェアネスが確保される。
• Ethereum テストネットでの評価により、SilentDelivery がスケーラブルかつ実世界への導入に適したことが確認され、通常運用時におけるオンチェーンのフットプリントは最小限に抑えられた。
• しきい値秘密分散とスマートコントラクトの統合により、信頼できない中央集権型サーバーに依存しない、分散型で信頼性のある時限情報配信のマーケットプレイスが実現された。