[논문 리뷰] AQUAREUM: Non-Equivocating Censorship-Evident Centralized Ledger with EVM-Based Verifiable Execution using Trusted Computing and Blockchain

Ivan Homoliak, Larangeira, Mario외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 27.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 38인용 수 4

한 줄 요약

Aquareum은 신뢰할 수 있는 실행 환경(TEE)과 공공 블록체인을 결합하여 중심화된 레지스트리에 검증 가능성, 비등치성 방지, 검열 증거를 추가하는 새로운 프레임워크이다. 이 프레임워크는 블록체인(예: 이더리움)에 게시된 TEE 검증 증명을 통해 거래 무결성을 보장하고 검열을 탐지하며, 일반 하드웨어에서 450TPS 이상의 성능을 달성하면서도 EVM을 통해 임의의 스마트 계약을 지원한다.

ABSTRACT

Distributed ledger systems (i.e., blockchains) have received a lot of attention. They promise to enable mutually untrusted participants to execute transactions while providing the immutability of the data and censorship resistance. Although decentralized ledgers are a disruptive innovation, as of today, they suffer from scalability, privacy, or governance issues. Therefore, they are inapplicable for many important use cases, where interestingly, centralized ledger systems might gain adoption. Unfortunately, centralized ledgers have also drawbacks, e.g., a lack of efficient verifiability or a higher risk of censorship and equivocation. In this paper, we present AQUAREUM, a novel framework for centralized ledgers removing their main limitations. By a unique combination of a trusted execution environment (TEE) with a public blockchain, AQUAREUM provides publicly verifiable non-equivocating censorship-evident private and high-performance ledgers. AQUAREUM is integrated with a Turing-complete virtual machine (e.g., EVM), allowing arbitrary transaction processing logic, such as transfers or client-specified smart contracts. AQUAREUM is fully implemented and can process over 400 transactions per second on a commodity PC. Furthermore, we modeled AQUAREUM using the Universal Composability framework and proved its security.

연구 동기 및 목표

• 중심화된 레지스트리 시스템에서의 검증 가능성, 비등치성 방지, 검열 저항성 부족 문제를 해결하기 위해.
• 중심화된 레지스트리에서 공공적으로 검증 가능하고, 변조 증거가 있으며, 검열을 탐지할 수 있는 거래 처리를 가능하게 하기 위해.
• 신뢰할 수 있는 실행 환경(TEE)을 공공 블록체인과 통합하여 완전한 탈중앙화 없이도 강력한 보안 보장을 제공하기 위해.
• 이더리움 가상 머신(EVM)과의 통합을 통해 임의의 거래 논리, 즉 스마트 계약을 지원하기 위해.
• 기존 기술과 실제 구현을 기반으로 한 실용성과 효율성을 입증하기 위해.

제안 방법

• TEE 에이전트는 각 레지스트리 업데이트의 정확성과 일관성을 검증하고 암호학적 증명을 생성한다.
• TEE에서 생성된 증명은 공공 블록체인(예: 이더리움)에 게시되어 공공 검증이 가능하며, 비등치성을 보장한다.
• 클라이언트가 블록체인에 쿼리를 제출할 때 검열이 발생하는지 탐지되며, 운영자는 TEE를 통해 해결 증명을 공개적으로 생성해야 한다.
• 스마트 계약을 사용하여 쿼리 해결 및 증명 게시를 관리함으로써 운영자 오작동를 자동으로 탐지할 수 있도록 한다.
• EVM 기반 구현을 통해 튜링 완전한 논리를 지원하여 토큰 및 클라이언트 정의 스마트 계약과 같은 임의의 레지스트리 응용 프로그램을 구현할 수 있다.
• 모든 구성 요소는 기존 기술을 사용하여 개발되어 일반 하드웨어에서의 구현 준비가 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전한 탈중앙화 없이 중심화된 레지스트리가 공공적으로 검증 가능하고 비등치성 방지 기능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 중심화된 레지스트리에서의 검열은 어떻게 탐지하고 공공적으로 명백하게 만들 수 있는가?
• RQ3 신뢰할 수 있는 실행 환경(TEE)을 공공 블록체인과 효과적으로 통합하여 중심화된 시스템에 강력한 보안 보장을 제공할 수 있는가?
• RQ4 레지스트리 검증 및 검열 탐지에 TEE와 블록체인을 통합할 경우 성능 오버헤드는 얼마나 되는가?
• RQ5 결과로 도출된 시스템은 효율성과 강력한 보안 특성을 유지하면서도 임의의 스마트 계약 논리를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• Aquareum은 일반 PC에서 암호학적 검증 오버헤드에도 불구하고 450건 이상의 거래를 초당 처리하여 실용적인 성능을 입증했다.
• TEE에서 생성된 증명을 공공 블록체인에 게시함으로써 강력한 비등치성 보장을 제공하여, 상충되는 레지스트리 스냅샷이 존재할 수 없도록 보장한다.
• 클라이언트가 이니셜리티를 요청하는 메커니즘을 통해 검열이 탐지되며, 이는 운영자가 공공적으로 검증 가능한 증명을 생성하도록 강제한다.
• EVM 통합을 통해 임의의 거래 논리를 지원하여 토큰 및 클라이언트 정의 스마트 계약의 배포가 가능하다.
• 시스템은 기존 기술을 기반으로 완전히 구현되어 있으며, 신뢰 설정이 필요로 하거나 새로운 암호학적 가정이 필요로 하지 않는다.
• 이 접근법은 등치성과 검열의 위험을 효과적으로 완화하면서도 개인정보 보호와 성능을 유지하여, 중심화된 레지스트리와 완전한 탈중앙화 레지스트리의 실용적인 대안을 제공한다.