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

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

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 42인용 수 24

한 줄 요약

Teechain는 하드웨어로 보장하는 신뢰 실행 환경(TeEs)을 활용하여 블록체인 모니터링 없이도 정상 운영 중에 오프체인 거래를 가능하게 하는 안전하고 비동기적 지급 네트워크를 제안한다. 채널에 보관된 키를 에누리 보호하고, 타임아웃 및 잠금 메커니즘을 통한 원자적 상태 업데이트를 통해 확장성 있고 저지연 지불이 가능하며, 장애 발생 시에만 최종적으로 블록체인에 정착하는 방식이다. 이로 인해 블록체인의 과도한 부담을 줄이고 오프라인 채널 종료 기능을 제공한다.

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

• 정상 운영 중 블록체인 상호작용을 최소화하면서도 보안성과 일관성을 확보하는 지급 네트워크를 설계하는 것.
• 메시지 전달 보장을 갖지 않더라도 비동기 지급 라우팅에서 메시지 손실 및 네트워크 공격 문제를 해결하는 것.
• 블록체인 거래 없이도 오프라인 채널 종료 및 경로 간 잔액 이전을 가능하게 하는 것.
• 지속적인 블록체인 모니터링이 필요 없도록 시간 기반 타임아웃과 에누리 무결성 기반 최종성 확보 방법을 도입하는 것.
• 공유 키와 상태 잠금을 활용해 다단계 경로를 통해 효율적이고 안전한 지불 라우팅을 지원하는 것.

제안 방법

• 채널 예치금 및 약속을 관리하기 위해 TEE 보호 키를 사용하여 안전한 오프체인 상태 업데이트를 가능하게 한다.
• 키 공유, 상태 잠금, 타임아웃 기반 복구를 포함하는 다단계 프로토콜을 활용해 지불 경로 간 일관성을 보장한다.
• 단일 예치 거래에서 발생한 사용되지 않는 출력을 동적으로 새로운 채널에 재할당할 수 있는 채널 설정 메커니즘을 도입하여 블록체인 오버헤드를 줄인다.
• 비응답 노드를 감지하고 마지막 알려진 상태로 롤백 또는 종료를 트리거하기 위해 시간 제한 타임아웃(T1, T2, T3, T4)에 의존한다.
• 필요한 경우에만 이전 채널 상태를 블록체인에 플러시하기 위해 단일 원자적 거래를 사용하여 정확성과 부분 정착 방지를 보장한다.
• 참가자가 잠긴 출력을 해제하고 공유 키 및 상태 동기화를 활용해 새로운 경로로 잔액을 이전할 수 있도록 오프라인 채널 종료를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 메시지 전달 보장을 갖지 않더라도 메시지 손실이 발생하더라도 강력한 일관성과 보안성을 확보할 수 있는 지급 네트워크를 설계할 수 있는가?
• RQ2 일부 노드가 장애 발생 또는 접근 불가 상태일 경우, 다단계 지불 경로에서 채널 상태를 안전하게 업데이트하고 롤백할 수 있는가?
• RQ3 에누리 보호 키와 타임아웃 기반으로 블록체인에 영향을 주지 않고도 채널을 종료하고 잔액을 이전할 수 있는가?
• RQ4 블록체인 트랜잭션 볼륨과 모니터링을 최소화하면서도 효율적이고 확장 가능한 라우팅을 지원할 수 있는가?
• RQ5 단일 노드가 모든 키나 상태를 보유하지 않더라도 장애 상황에서 정확한 최종 정착을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토콜은 TEE 보호 키와 타임아웃 기반 상태 관리 기반으로 다단계 경로를 통해 안전하고 비동기적 지불 라우팅을 가능하게 한다.
• 채널 종료 및 잔액 이전이 완전히 오프체인에서 이루어져 블록체인 사용을 줄이고 오프라인 정착을 가능하게 한다.
• 필요한 경우에만 이전 채널 상태를 블록체인에 플러시하기 위해 단일 원자적 거래를 사용하여 일관성을 확보하고 부분 정착을 방지한다.
• 노드가 응답하지 않을 경우 타임아웃 기반 복구 메커니즘을 강제 적용하여 악성 행동을 방지하고 롤백 또는 종료를 트리거한다.
• 공유 키와 상태 잠금을 사용함으로써 업데이트 중 지불이 채널을 통해 라우팅되는 것을 방지하여 경쟁 조건을 방지한다.
• 단일 예치 거래에서 발생한 사용되지 않는 출력을 동적으로 새로운 채널에 재할당함으로써 보증금과 블록체인 오버헤드를 줄일 수 있다.