[論文レビュー] Strong Federations: An Interoperable Blockchain Solution to Centralized Third-Party Risks

Johnny Dilley, Andrew Poelstra+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 19被引用数 56

ひとこと要約

この論文は、中央集権的な第三者を必要とせず、ブロックチェーン間で信頼できない、プライベートで相互運用可能な資産移転を可能にする、Byzantine耐性があり、公開検証可能なコンセンサスメカニズム「Strong Federations」を紹介する。マルチシグネチャ関係者とハードウェアセキュリティモジュール（HSM）、サイドチェーンアーキテクチャを組み合わせることで（Liquidネットワークで実証済み）、取引の遅延を低減し、プライバシーを強化しながらも、最終性と暗号的セキュリティを維持する。

ABSTRACT

Bitcoin, the first peer-to-peer electronic cash system, opened the door to permissionless, private, and trustless transactions. Attempts to repurpose Bitcoin's underlying blockchain technology have run up against fundamental limitations to privacy, faithful execution, and transaction finality. We introduce \emph{Strong Federations}: publicly verifiable, Byzantine-robust transaction networks that facilitate movement of any asset between disparate markets, without requiring third-party trust. \emph{Strong Federations} enable commercial privacy, with support for transactions where asset types and amounts are opaque, while remaining publicly verifiable. As in Bitcoin, execution fidelity is cryptographically enforced; however, \emph{Strong Federations} significantly lower capital requirements for market participants by reducing transaction latency and improving interoperability. To show how this innovative solution can be applied today, we describe \emph{\liquid}: the first implementation of \emph{Strong Federations} deployed in a Financial Market.

研究の動機と目的

• ビットコインのプルーフ・オブ・ワークコンセンサスの制限、特に取引の最終確定が遅く、プライバシーが不十分である点を是正し、商業的採用を妨げる要因を解消すること。
• 従来の金融システムおよびRipple や Stellar といった既存のブロックチェーンソリューションに内在する中央集権的第三者リスク（単一障害点）を排除すること。
• 機密取引とクロスマーケット相互運用性を可能にしつつ、公開検証可能性とByzantineフォールトトレランスを維持するフェデレーテッドコンセンサスモデルを設計すること。
• 長時間の承認待ちや高 Liquidity 要件に依存しないために、リアルタイム決済と資本効率の向上を実現すること。
• 信頼を損なわず、攻撃面を拡大せずに、進化するブロックチェーンプロトコルのための安全でアップグレード可能で監査可能なメカニズムを提供すること。

提案手法

• 各ブロックに対して、グローバルに分散されたハードened関係者が超多数（$k$-of-$n$）で署名するマルチシグネチャ方式を採用し、Byzantineフォールトトレランスとコンセンサスの整合性を確保する。
• ハードウェアセキュリティモジュール（HSM）を用いて署名意思決定を暗号的に強制し、不正または矛盾するブロック署名を防止する。
• ビットコインのソフトフォークモデルを模倣した形式的で監査可能なアップグレード経路を設計し、超多数派の合意と第三者によるコードレビューを伴う段階的プロトコル改善を可能にする。
• 機密取引（Confidential Transactions）とネイティブアセット（Native Assets）を統合し、異なる市場間で、資産種別や金額を秘密にしたまま、タイプに依存しない移転を可能にする。
• サイドチェーンアーキテクチャ（例：Liquid）を用いて実装し、二重ペグによりビットコインのセキュリティを活用する一方で、取引処理をオフチェーンで行い、強力な最終性を確保する。
• 中央機関に依存せず、すべての参加者が暗号的に正当性と一貫性を検証できる、信頼最小限の公開検証可能なシステムを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プルーフ・オブ・ワークや中央集権的仲介者に依存せずに、強力な最終性と低遅延決済を実現できるブロックチェーンシステムの設計方法は何か？
• RQ2 フェデレーテッドコンセンサスモデルは、機密取引とクロスアセット相互運用性を可能にしつつ、公開検証可能性とByzantineフォールト耐性を維持できるか？
• RQ3 分散型フェデレーションにおいて、新たな攻撃面を導入せずに、安全で監査可能かつアップグレード可能なプロトコル進化のメカニズムは何か？
• RQ4 ハードウェアセキュリティモジュールは、悪意あるまたは矛盾するブロック署名を防ぐために、コンセンサスシステムにどのように効果的に統合できるか？
• RQ5 マルチシグネチャ関係者を備えたサイドチェーンアーキテクチャは、ネイティブプルーフ・オブ・ワークブロックチェーンと比較して、資本要件をどれほど低減し、流動性を向上させられるか？

主な発見

• Strong Federationsは、マルチシグネチャ関係者ネットワークを用いることで、ビットコインの10分間のブロック時間に代わるほぼ即時の決済を実現し、リアルタイムの取引最終性を達成する。
• 暗号的最終性を達成し、リバースが可能となるのは、関係者クォーラム全体が完全に侵害された場合に限る。
• 機密取引とネイティブアセットがネイティブにサポートされており、資産種別や金額が秘密に保たれつつも、参加者は誰でも暗号的に正当性を検証可能である。
• アップグレードメカニズムにより、安全で監査可能かつ超多数派合意に基づくプロトコル変更が可能であり、ビットコインのソフトフォークプロセスを模倣することで、悪意あるまたは破損したアップグレードのリスクを低減する。
• 最初の本番導入であるLiquidは、Strong Federationsが、対応者リスクを低減した金融市場において、高スループットでプライベートかつ相互運用可能な取引をサポートできることを実証している。
• 二重ペグを介してビットコインのプルーフ・オブ・ワークセキュリティを活用することで、Strong Federationsはビットコインのセキュリティモデルを継承しつつ、商業的用途において性能とプライバシーを著しく向上させている。