[논문 리뷰] Teechain: Scalable Blockchain Payments using Trusted Execution Environments.

Joshua Lind, Ittay Eyal외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 18.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 1인용 수 42

한 줄 요약

Teechain는 신뢰 실행 환경(Tee)를 사용하여 콜라탈 자금을 보관하는 트레저리의 보안을 확보함으로써 이방식의 오프체인 거래를 가능하게 하는 확장 가능한 레이어-2 블록체인 결제 네트워크를 제안한다. Teechain는 TEE 보호 트레저리와 임계값 비밀 분배를 사용하는 위원회 체인을 활용하여 30台의 머신 환경에서 초당 100만 건 이상의 비트코인 거래를 달성하며, 라이트닝 네트워크 대비 최소 33배 높은 성능을 확보한다.

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

• 모든 거래에 대해 글로벌 합의와 블록체인 상호작용을 요구하는 블록체인 결제 네트워크의 확장성 한계를 해결하기 위해.
• 오프체인 거래 중 실시간 블록체인 액세스가 필요로 하여 사용자를 지연과 서비스 거부 공격의 위험에 노출시키는 것을 제거하기 위해.
• 개별 TEE에 대한 신뢰나 지속적인 블록체인 상호작용 없이도 안전하고 고처리량의 오프체인 결제를 가능하게 하기 위해.
• 임계값 비밀 분배를 사용하는 위원회 체인을 통해 트레저리 상태를 복제함으로써 트레저리 장애에 대한 내성 확보를 위한 시스템 설계를 위해.
• 기존의 결제 네트워크(예: 라이트닝 네트워크)를 뛰어넘는 높은 수준의 거래 처리량을 달성하기 위해.

제안 방법

• Teechain는 오프체인 결제 채널을 위한 콜라탈 자금을 보관하는 트레저리를 보호하기 위해 하드웨어 기반 신뢰 실행 환경(TEE)을 사용한다.
• 각 트레저리는 기반 블록체인과의 상호작용 없이도 오프체인 거래를 안전하게 처리하고 정산함으로써 이방식의 운영을 가능하게 한다.
• Teechain는 임계값 비밀 분배를 사용하는 새로운 체인 복제 방식인 위원회 체인을 도입하여 여러 TEE에 걸쳐 트레저리 상태를 복제하고 장애 내성 보장을 한다.
• 시스템은 프rotocol 규칙을 강제하는 TEE 보호 상태 기반의 암호학적 결합을 통해 거래의 무결성과 최종성을 보장한다.
• 모든 당사자가 암호학적으로 신뢰할 수 있는 분쟁 해결 절차를 통해 트레저리 상태에 도전할 수 있도록 하여 악성 행동을 방지한다.
• 거래 실행을 블록체인 동기화에서 분리함으로써 네트워크 분할이나 지연 상황에서도 고처리량을 유지할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실시간 기반 블록체인 액세스 없이도 오프체인 거래를 안전하게 실행할 수 있는가?
• RQ2 개별 TEE에 대한 신뢰를 최소화하면서도 오프체인 결제에 대해 강력한 보안 보장을 유지할 수 있는가?
• RQ3 탈중앙화된 결제 네트워크에서 트레저리 장애에 대한 내성과 고처리량을 동시에 확보할 수 있는 시스템 설계는 무엇인가?
• RQ4 임계값 비밀 분배와 체인 복제를 효과적으로 조합하여 고장 내성적이고 확장 가능한 트레저리 상태 복제 시스템을 구축할 수 있는가?
• RQ5 오프체인 실행을 블록체인 동기화에서 분리함으로써 기존의 결제 네트워크(예: 라이트닝)에 비해 어떤 성능 향상을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• Teechain는 최신 기술인 라이트닝 네트워크 대비 최소 33배 높은 거래 처리량을 달성한다.
• 30대의 머신으로 구성된 Teechain 환경은 초당 100만 건 이상의 비트코인 거래를 처리할 수 있다.
• 지속적인 블록체인 연결이 필요 없이도 안전하고 이방식의 오프체인 거래를 가능하게 한다.
• 임계값 비밀 분배를 사용하는 위원회 체인은 트레저리 장애에 효과적으로 대응하고 개별 TEE에 대한 신뢰를 감소시킨다.
• TEE 보호 트레저리를 사용함으로써 블록체인 상호작용 없이도 오프체인 결제에 강력한 보안 보장을 확보한다.
• 거래 실행을 블록체인 동기화에서 분리함으로써 블록체인 액세스 지연을 악용한 서비스 거부 공격을 성공적으로 완화한다.