[논문 리뷰] Teechain: A Secure Asynchronous Blockchain Payment Network

Joshua Lind, Oded Naor외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 18.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 1

한 줄 요약

Teechain는 신뢰할 수 있는 실행 환경(TEE)에서 하드웨어로 보호되는 금고를 사용하여 실시간 블록체인 액세스 없이도 오프체인 거래를 가능하게 하는 안전하고 비동기적인 레이어2 지급 네트워크를 도입한다. 위원회 체인과 임계값 기반 비밀 공유를 활용하여 금고 상태를 복제함으로써, 30台의 머신 환경에서 초당 100만 건 이상의 비트코인 거래를 처리하여 라이트닝보다 최소 33배 높은 성능을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실시간 블록체인 액세스가 필요로 하는 기존 지급 네트워크의 한계를 해결하기 위해.
• 오프체인 거래 중 블록체인과의 동기화된 상호작용이 필요로 하지 않도록 하기 위해.
• 접속이 끊기거나 지연되는 네트워크 조건에서도 자산 도난을 방지하기 위해.
• 모든 TEE를 신뢰하지 않더라도 확장 가능하고 고처리량 지급 네트워크를 구축하기 위해.
• 하드웨어 격리와 암호학적 복제를 활용하여 안전하고 비동기적인 오프체인 거래를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• Teechain는 신뢰할 수 있는 실행 환경(TEEs)에 기반한 하드웨어로 보호되는 금고를 사용하여 채권을 안전하게 관리하고 오프체인 거래를 실행한다.
• 각 금고는 채널 상태를 유지하고 기반 블록체인과의 상호작용 없이 거래를 처리한다.
• Teechain는 임계값 기반 비밀 공유를 활용한 새로운 체인 복제 방식인 위원회 체인을 도입하여 여러 TEE에 걸쳐 금고 상태를 복제하고 보호한다.
• 위원회 체인은 상태 업데이트에 대해 일정 수의 신뢰할 수 있는 복제본이 일치해야 한다는 조건을 통해 일관성과 장애 내성 보장을 한다.
• 거래는 암호학적으로 인증되어 TEE 내부에서 실행되어 위변조를 방지하고 정확성을 보장한다.
• 시스템은 임계값 기반 공약 메커니즘을 사용하여 일부 TEE가 실패하거나 해킹되더라도 악성 행동을 탐지하고 방지할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오프체인 거래 중 실시간 블록체인 액세스가 필요로 하지 않더라도 고처리량과 보안을 달성할 수 있는 지급 네트워크는 가능한가?
• RQ2 분산 지급 시스템에서 강력한 보안 보장을 유지하면서 TEE에 대한 신뢰를 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ3 TEE 기반의 비동기 지급 네트워크에서 도달할 수 있는 최대 거래 처리량은 얼마인가?
• RQ4 금고 상태 복제를 어떻게 TEE 장애와 악성 행동에 저항력 있게 만들 수 있는가?
• RQ5 TEE와 임계값 기반 비밀 공유의 조합이 확장 가능하고 안전하며 비동기적인 지급 채널 운영을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• Teechain는 최신 기술인 라이트닝 네트워크보다 최소 33배 높은 거래 처리량을 달성한다.
• 30대의 머신으로 구성된 Teechain 환경은 초당 100만 건 이상의 비트코인 거래를 처리할 수 있다.
• 시스템은 지속적인 블록체인 연결 없이도 안전한 오프체인 거래를 가능하게 한다.
• 위원회 체인은 여러 TEE에 걸쳐 금고 상태를 효과적으로 복제하여 장애 내성 보장을 하고 개별 TEE에 대한 신뢰를 감소시킨다.
• 적대자가 블록체인 액세스를 지연시키거나 네트워크 연결을 방해하더라도 자산 도난을 방지할 수 있다.
• TEE로 보호된 금고의 사용은 기반 블록체인에서의 글로벌 공약이 필요로 하지 않게 하여 효율적이고 안전한 거래 처리를 가능하게 한다.