[論文レビュー] vChain: Enabling Verifiable Boolean Range Queries over Blockchain Databases

Cheng Xu, Ce Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 27被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、ブロックチェーンデータベースにおける検索クエリの検証を可能にするvChainを提案する。このフレームワークにより、軽量ユーザーは暗号的証明を用いて結果の整合性を保証しつつ、効率的かつ安全にブール型範囲クエリを実行できる。蓄積器に基づく認証済みデータ構造、ブロック内およびブロック間インデックス、およびサブスクリプション用の逆転プレフィックスツリーを導入することで、vChainはユーザーの計算コストを最大2倍まで削減し、クエリ窓サイズに対して部分線形スケーリングを実現する。これにより、効率性と強力なセキュリティ保証が両立される。

ABSTRACT

Blockchains have recently been under the spotlight due to the boom of cryptocurrencies and decentralized applications. There is an increasing demand for querying the data stored in a blockchain database. To ensure query integrity, the user can maintain the entire blockchain database and query the data locally. However, this approach is not economic, if not infeasible, because of the blockchain's huge data size and considerable maintenance costs. In this paper, we take the first step toward investigating the problem of verifiable query processing over blockchain databases. We propose a novel framework, called vChain, that alleviates the storage and computing costs of the user and employs verifiable queries to guarantee the results' integrity. To support verifiable Boolean range queries, we propose an accumulator-based authenticated data structure that enables dynamic aggregation over arbitrary query attributes. Two new indexes are further developed to aggregate intra-block and inter-block data records for efficient query verification. We also propose an inverted prefix tree structure to accelerate the processing of a large number of subscription queries simultaneously. Security analysis and empirical study validate the robustness and practicality of the proposed techniques.

研究の動機と目的

• ブロックチェーンデータベースにおける信頼できないフルノードから得られるクエリ結果に対する整合性保証の欠如を是正すること。
• ブロックチェーン全体を保存しなくても、軽量（lightweight）ユーザーがクエリ結果を検証できるようにすること。
• ブロックチェーンに格納されたデータの任意の属性に対して、効率的で動的かつ検証可能なブール型範囲クエリをサポートすること。
• 最適化されたインデックスと証明集約を用いて、ユーザーの計算コストおよび通信コストを低減すること。
• 逆転プレフィックスツリーを用いた効率的な証明管理により、スケーラブルなサブスクリプションベースのクエリをサポートすること。

提案手法

• 任意のクエリ属性に対して動的集約を可能にする、数値属性を集合値表現にマッピングする蓄積器ベースの認証済みデータ構造（ADS）を提案する。
• 個々のブロック内でのローカル検証を高速化するためのツリー型ブロック内インデックスを導入する。
• 効率的なブロック間範囲クエリ検証とプルーニングを可能にするスキャンリスト型ブロック間インデックスを設計する。
• 類似したクエリをグループ化し、重複する証明計算を削減することで、サブスクリプションクエリのバッチ処理を最適化する逆転プレフィックスツリー（IP-Tree）を開発する。
• 暗号的蓄積器を用いたバッチ検証技術を採用し、複数ブロックにまたがる不一致証明を集約することで、証明サイズと検証時間を削減する。
• リアルタイムおよびラージ証明生成戦略を統合し、後者によりサブスクリプション期間が延長するに従い、証明サイズおよびユーザーCPU時間の部分線形増加を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンに格納されたデータに対して、ユーザーがブロックチェーン全体を保存しなくても、効率的かつ安全にブール型範囲クエリを処理する方法は何か？
• RQ2 ブロックチェーン環境下で、任意の数値クエリ属性に対して動的集約を可能にする認証済みデータ構造は何か？
• RQ3 ブロック内およびブロック間インデックスをどのように設計すれば、範囲クエリをサポートしつつ検証オーバーヘッドを最小限に抑えることができるか？
• RQ4 どのようなインデックス戦略が、ブロックチェーンデータベースにおけるサブスクリプションクエリのバッチ処理を効率的に行うのに適しているか？
• RQ5 証明集約は、長期間にわたるサブスクリプションシナリオにおけるパフォーマンスとスケーラビリティにどのように影響を与えるか？

主な発見

• ブロック内およびブロック間インデックスの両方を用いることで、蓄積器単体を使用する場合と比較して、ユーザーのCPU時間を最低2倍まで削減できる。
• インデックスに基づく手法はクエリ窓サイズに対して部分線形にスケーリングされ、データ類似度が低い（例：ETH）データセットで最も優れたパフォーマンスを示す。
• ラージ証明生成戦略は、特に長期間のサブスクリプション期間において、リアルタイム戦略と比較してユーザーCPU時間を50％以上削減する。
• IP-Treeインデックスは、評価されたすべてのデータセットでサービスプロバイダーのCPUオーバーヘッドを最低50％削減し、特にETHのようなスパarserな分布ではより大きな利点をもたらす。
• データ類似度が低いか、ブロックサイズが小さい場合には、ブロック間インデックスがブロック内インデックスを上回る性能を示す。
• ブロック内およびブロック間インデックスの両方を組み合わせた手法が、4SQデータセットにおけるSP CPU時間を除き、全体として最良のパフォーマンスを達成する。