[論文レビュー] Teechain: Scalable Blockchain Payments using Trusted Execution Environments.

Joshua Lind, Ittay Eyal+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 1被引用数 42

ひとこと要約

Teechainは、信頼実行環境（TEEs）を用いてコラateral資金を保持する財務管理を保護することで、非同期的なオフチェーン取引を可能にするスケーラブルなレイヤ2ブロックチェーン決済ネットワークを提案する。TEEsで保護された財務管理としきい値秘密分散を用いた委員会チェーンを活用することで、30台のマシンで構成されるデプロイで1秒間に100万件を超えるビットコイン取引を実現し、Lightning Networkを最低33倍も上回る性能を達成する。

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

• すべての取引に対してグローバルな合意形成とブロックチェーンとのやり取りに依存するブロックチェーン決済ネットワークのスケーラビリティの制限を解決すること。
• オフチェーン取引中にリアルタイムのブロックチェーンアクセスを必要としないようにすることで、ユーザーが遅延やサービス拒否攻撃の影響を受けるのを回避すること。
• 個々のTEEsに対する信頼性を必要とせず、かつ常にブロックチェーンとのやり取りを繰り返さなくても安全で高スループットのオフチェーン決済を実現すること。
• しきい値秘密分散を用いた委員会チェーンによって、財務管理の障害に耐性を持つように設計すること。
• 既存の決済ネットワーク（例：Lightning Network）を大きく上回る取引処理速度を達成すること。

提案手法

• Teechainは、オフチェーン決済チャネルのコラateral資金を保持する財務管理を保護するために、ハードウェアベースの信頼実行環境（TEEs）を用いる。
• 各財務管理は、下位のブロックチェーンとやり取りすることなく、オフチェーン取引を安全に処理・決済することで、非同期動作を可能にする。
• Teechainは、しきい値秘密分散を用いたチェーンレプリカの新規バリエーションである「委員会チェーン」を採用し、複数のTEEsに財務管理状態をレプリカ化することで、障害耐性を確保する。
• システムは、プロTOCOLルールを強制するTEEsで保護されたステートマシンに取引を暗号的にバインドすることで、取引の完全性と最終性を保証する。
• 任意の当事者が、検証可能で暗号的に妥当な紛争解決プロセスを通じて、財務管理の状態に疑義を呈できるようにすることで、悪意ある行動を防止する。
• 取引実行をブロックチェーン同期から分離することで、ネットワークの分割や遅延が生じても高いスループットを維持できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイムの下位ブロックチェーンアクセスを必要とせずに、オフチェーン取引を安全に実行することは可能か？
• RQ2 個々のTEEsへの信頼性を最小限に抑えつつ、オフチェーン決済の強力なセキュリティ保証を維持するにはどうすればよいか？
• RQ3 分散型決済ネットワークにおいて、高スループットと財務管理障害への耐性を実現するにはどのようなシステム設計が必要か？
• RQ4 しきい値秘密分散とチェーンレプリカを効果的に組み合わせることで、障害に強い、スケーラブルな財務管理状態レプリカシステムを構築できるか？
• RQ5 オフチェーン実行をブロックチェーン同期から分離することで、既存の決済ネットワーク（例：Lightning Network）に比べてどの程度の性能向上が達成できるか？

主な発見

• Teechainは、最先端のLightning Networkと比較して、少なくとも33倍の高い取引処理スループットを達成する。
• 30台のマシンで構成されるTeechainのデプロイは、1秒間に100万件を超えるビットコイン取引を処理できる。
• システムは、継続的なブロックチェーン接続を必要とせず、安全で非同期的なオフチェーン取引を実現する。
• しきい値秘密分散を用いた委員会チェーンは、財務管理障害に対する保護を効果的に実現し、個々のTEEsへの信頼性を低減する。
• TEEsで保護された財務管理を活用することで、ブロックチェーンとのやり取りなしに、オフチェーン決済に対して強いセキュリティ保証を提供する。
• 取引実行をブロックチェーン同期から分離することで、ブロックチェーンアクセスの遅延に基づくサービス拒否攻撃を効果的に緩和する。