[논문 리뷰] Qanaat: A Scalable Multi-Enterprise Permissioned Blockchain System with Confidentiality Guarantees

Mohammad Javad Amiri, Boon Thau Loo외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 22.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 4

한 줄 요약

Qanaat는 공공, 현지 및 중간 데이터 컬렉션으로 구성된 계층적 데이터 모델을 통해 협업 워크플로우에서 기밀성을 보장하는 확장 가능한 다중 기업용 허가 블록체인 시스템이다. 제약된 트랜잭션 순서 정책과 일련의 공인 프로토콜을 사용하여 기업 간 및 기업 내 샤딩 간에 안전하고 고성능의 트랜잭션을 가능하게 하며, 확장성 면에서 Hyperledger Fabric 및 그 변종을 능가하면서도 데이터 기밀성을 유지한다.

ABSTRACT

Today's large-scale data management systems need to address distributed applications' confidentiality and scalability requirements among a set of collaborative enterprises. This paper presents Qanaat, a scalable multi-enterprise permissioned blockchain system that guarantees the confidentiality of enterprises in collaboration workflows. Qanaat presents data collections that enable any subset of enterprises involved in a collaboration workflow to keep their collaboration private from other enterprises. A transaction ordering scheme is also presented to enforce only the necessary and sufficient constraints on transaction order to guarantee data consistency. Furthermore, Qanaat supports data consistency across collaboration workflows where an enterprise can participate in different collaboration workflows with different sets of enterprises. Finally, Qanaat presents a suite of consensus protocols to support intra-shard and cross-shard transactions within or across enterprises.

연구 동기 및 목표

• 서로를 신뢰하지 않는 기업들이 참여하는 다중 기업용 블록체인 애플리케이션에서의 확장성 및 기밀성 문제를 해결하기 위해.
• 같은 워크플로우 내에서도 다른 기업에 데이터를 폭로하지 않고 기업의 부분 집합 간에 비밀스러운 협업을 가능하게 하기 위해.
• 동일한 기업이 다른 파artner와 참여하는 여러 협업 워크플로우 간에 데이터 일관성을 보장하기 위해.
• 악성 노드로부터 기밀 데이터 泄露를 방지하기 위해 기밀성 방화벽 메커니즘을 제공하기 위해.
• 샤딩 및 최적화된 공인 프로토콜을 통해 기업 내 및 기업 간 운영을 위한 고처리량 트랜잭션 처리를 지원하기 위해.

제안 방법

• Qanaat는 공공(전 세계로 복제됨), 현지(기업 전용), 중간(협업하는 기업의 부분 집합 간 공유됨)의 세 가지 유형의 데이터 컬렉션을 포함하는 계층적 데이터 모델을 사용한다.
• 데이터 일관성을 유지하기 위해 필요한 최소한의 제약 조건만을 강제하는 트랜잭션 순서 정책을 도입하여 전역 순서 정책의 오버헤드를 최소화한다.
• 악성 노드가 요청, 응답 및 저장된 레코드를 포함하여 기밀 데이터를 泄露하는 것을 방지하기 위해 기밀성 방화벽 메커니즘을 사용한다.
• 각 기업은 자신의 데이터를 여러 샤드로 분할하고, 각 샤드를 처리하기 위한 전용 노드 클러스터를 운영하여 확장성을 향상시킨다.
• 기본 샤드 및 크로스-샤드 트랜잭션을 처리하기 위해 설계된 일련의 공인 프로토콜을 사용하며, 기업 간 작업을 위한 코ordinating 기반 프로토콜과 샤드 간 작업을 위한 평탄화된 프로토콜을 포함한다.
• 위변조 방지 레거시를 통해 데이터 기원 추적 기능과 불변성을 보장하여 워크플로우 전반에서 데이터 라인재의 검증 가능하고 투명한 추적을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허가 블록체인 시스템은 어떻게 임의의 기업 집단 간에 기밀 협업을 지원하면서도 데이터 일관성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 다중 기업 및 다중 워크플로우 환경에서 정확성을 확보하면서 성능 오버헤드를 최소화하는 트랜잭션 순서 전략은 무엇인가?
• RQ3 왜곡된 관찰자뿐 아니라 네트워크 내 악성 노드로부터도 기밀 데이터 기밀성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 다중 기업 및 샤딩 아키텍처에서 기업 내 및 기업 간 트랜잭션을 위한 고성능 확장성을 달성하는 데 어떤 공인 프로토콜 설계가 필요한가?
• RQ5 동일한 기업이 다른 파artner와 참여하는 여러 협업 워크플로우 간에 시스템은 어떻게 데이터 일관성을 유지하는가?

주요 결과

• Qanaat는 전역 순서 정책 오버헤드가 감소함에 따라 특히 기업 간 트랜잭션 워크로드에서 Hyperledger Fabric 및 그 변종보다 유의미하게 높은 처리량을 달성한다.
• 기업 간 트랜잭션 처리에서는 코ordinating 기반 공인 프로토콜이 평탄화된 프로토콜보다 성능이 뛰어나며, 샤드 간 트랜잭션에서는 평탄화된 프로토콜이 더 우수한 성능을 보인다.
• 중간 데이터 컬렉션을 포함한 계층적 데이터 모델은 비관련 기업에 노출되지 않는 한계 내에서 기업의 부분 집합 간 기밀 협업을 가능하게 한다.
• 기밀성 방화벽 메커니즘은 악성 노드가 네트워크의 일부를 제어하더라도 데이터 유출을 효과적으로 방지한다.
• 트랜잭션 순서 정책은 불필요한 전역 순서 정책 제약 조건을 줄여 복잡한 워크플로우 간 데이터 일관성을 유지하면서 성능을 향상시킨다.
• Qanaat의 샤딩 및 공인 설계는 동일한 기업이 다양한 파artner와 참여하는 여러 협업 워크플로우에서 확장성, 보안성, 일관성을 확보한 데이터 처리를 지원한다.