[論文レビュー] Teechain: A Secure Payment Network with Asynchronous Blockchain Access

Joshua Lind, Oded Naor+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 42被引用数 24

ひとこと要約

Teechainは、ハードウェアで強制される信頼実行環境（TEEs）を活用して、通常運用時にはブロックチェーンの監視を必要としない、安全で非同期な決済ネットワークを提案する。エンクロージャー保護された鍵とタイムアウトおよびロックメカニズムによる原子的状態更新を用いることで、スケーラブルで低レイテンシの決済を可能にし、障害時のみ最終的にオンチェーンでの決済が行われる。これによりブロックチェーンの肥大化を低減し、オフラインでのチャネル閉鎖を実現する。

ABSTRACT

Blockchains such as Bitcoin and Ethereum execute payment transactions securely, but their performance is limited by the need for global consensus. Payment networks overcome this limitation through off-chain transactions. Instead of writing to the blockchain for each transaction, they only settle the final payment balances with the underlying blockchain. When executing off-chain transactions in current payment networks, parties must access the blockchain within bounded time to detect misbehaving parties that deviate from the protocol. This opens a window for attacks in which a malicious party can steal funds by deliberately delaying other parties' blockchain access and prevents parties from using payment networks when disconnected from the blockchain. We present Teechain, the first layer-two payment network that executes off-chain transactions asynchronously with respect to the underlying blockchain. To prevent parties from misbehaving, Teechain uses treasuries, protected by hardware trusted execution environments (TEEs), to establish off-chain payment channels between parties. Treasuries maintain collateral funds and can exchange transactions efficiently and securely, without interacting with the underlying blockchain. To mitigate against treasury failures and to avoid having to trust all TEEs, Teechain replicates the state of treasuries using committee chains, a new variant of chain replication with threshold secret sharing. Teechain achieves at least a 33x higher transaction throughput than the state-of-the-art Lightning payment network. A 30-machine Teechain deployment can handle over 1 million Bitcoin transactions per second.

研究の動機と目的

• 通常運用時におけるブロックチェーンとの相互作用を最小限に抑えつつ、セキュリティと一貫性を保証する決済ネットワークの設計。
• メッセージ配信保証に依存せずに、非同期決済ルーティングにおけるメッセージ損失やネットワーク攻撃の課題に対処すること。
• オンチェーン取引を一切使わずに、オフラインでのチャネル閉鎖と経路間での残高移行を可能にすること。
• 継続的なブロックチェーン監視を不要とするために、時間ベースのタイムアウトとエンクロージャーの整合性に依存して最終性を確保すること。
• 共有鍵と状態ロックを用いて、マルチホップ経路を通じた効率的で安全な決済ルーティングを実現すること。

提案手法

• TEEsで保護された秘密鍵を用いてチャネルの預り金とコミットメントを管理し、安全なオフチェーン状態更新を可能にする。
• 鍵共有、状態ロック、タイムアウトに基づく回復を含む複数段階のプロトコルを採用し、決済経路間での一貫性を確保する。
• 1回の預り取引で得られる未使用出力を動的に新しいチャネルに再割り当てできるチャネル設定メカニズムを導入し、ブロックチェーンのオーバーヘッドを低減する。
• 時間制限付きのタイムアウト（T1, T2, T3, T4）に依存して、応答しないノードを検出し、最終状態を用いたロールバックまたは終了をトリガーする。
• 古いチャネル状態をブロックチェーンにフラッシュする際には、必要に応じて1つの原子的取引を用いることで、正しさを保証し、部分的決済を防ぐ。
• 参加者がロックされた出力を解放し、共有鍵と状態同期を用いて新しい経路に残高を移行できるようにすることで、オフラインでのチャネル閉鎖を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メッセージ配信保証に依存せずに、任意のメッセージ損失が発生しても、強力な一貫性とセキュリティを達成できるか？
• RQ2 一部のノードが障害または到達不能になった場合、マルチホップ決済経路におけるチャネル状態を安全に更新・ロールバックできるか？
• RQ3 エンクロージャー保護された鍵とタイムアウトのみを用いて、ブロックチェーンにアクセスせずにチャネルを閉鎖し、残高を移行できるか？
• RQ4 オンチェーン取引の量と監視の頻度を最小限に抑えつつ、効率的でスケーラブルなルーティングをサポートできるか？
• RQ5 単一のノードがすべての鍵や状態を保持していないにもかかわらず、障害発生時にも正しい最終決済が保証できるか？

主な発見

• プロトコルは、TEEsで保護された鍵とタイムアウトに基づく状態管理を用いて、マルチホップ経路を通じた安全で非同期の決済ルーティングを実現する。
• チャネルの閉鎖と残高移行は完全にオフチェーンで行われ、ブロックチェーンの使用を削減し、オフライン決済を可能にする。
• 古いチャネル状態をブロックチェーンにフラッシュする際には、必要に応じて1つの原子的取引が使用され、一貫性を保証し、部分的決済を防止する。
• ノードが応答しない場合に、時間ベースの回復メカニズムを強制することで、悪意ある振る舞いを防止し、ロールバックまたは終了をトリガーする。
• 共有鍵と状態ロックの使用により、更新中はいかなる決済もチャネルを通じてルーティングされないため、レースコンディションを防止する。
• 1回の預り取引から得られる未使用出力を、動的に新しいチャネルに再割り当てできるため、担保額とブロックチェーンのオーバーヘッドが削減される。