[논문 리뷰] Teechan: Payment Channels Using Trusted Execution Environments

Joshua Lind, Ittay Eyal외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 22.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 10인용 수 43

한 줄 요약

Teechan은 비트코인 프로토콜을 수정하지 않고도 고처리량, 저지연성 마이크로결제를 가능하게 하는 전용 이중 통신 지불 채널 프로토콜을 제안한다. 이는 인텔 SGX 기반 신뢰할 수 있는 실행 환경(Tee)을 활용하며, 2,480 건의 거래를 초당 처리하고, 밀리초 이하의 지연을 달성한다. 채널 신용 한도 내에서 무제한 양방향 지불을 지원하며, 채널 활동과 관계없이 총 두 번의 블록체인 거래만 필요하다.

ABSTRACT

Blockchain protocols are inherently limited in transaction throughput and latency. Recent efforts to address performance and scale blockchains have focused on off-chain payment channels. While such channels can achieve low latency and high throughput, deploying them securely on top of the Bitcoin blockchain has been difficult, partly because building a secure implementation requires changes to the underlying protocol and the ecosystem. We present Teechan, a full-duplex payment channel framework that exploits trusted execution environments. Teechan can be deployed securely on the existing Bitcoin blockchain without having to modify the protocol. It: (i) achieves a higher transaction throughput and lower transaction latency than prior solutions; (ii) enables unlimited full-duplex payments as long as the balance does not exceed the channel's credit; (iii) requires only a single message to be sent per payment in any direction; and (iv) places at most two transactions on the blockchain under any execution scenario. We have built and deployed the Teechan framework using Intel SGX on the Bitcoin network. Our experiments show that, not counting network latencies, Teechan can achieve 2,480 transactions per second on a single channel, with sub-millisecond latencies.

연구 동기 및 목표

• 비트코인의 낮은 거래 처리량과 높은 지연을 해결하기 위해 비트코인 프로토콜을 수정하지 않고도 오프체인 마이크로결제를 가능하게 한다.
• 기존 지불 채널의 한계, 예를 들어 단방향 흐름, 채널 고갈, 프로토콜 수준의 변경에 의존하는 문제를 극복한다.
• 신뢰할 수 있는 실행 환경(TEEs)을 사용하여 강력한 보안, 확장성, 효율성을 확보하는 지불 채널 프레임워크를 제공한다.
• 해당 시스템은 손상된 운영 체제, 하이퍼바이저, 네트워크 구성 요소에 대해서도 강력한 보안 보장을 보장한다 — 기밀성, 무결성, 가용성 확보.
• 최소한의 블록체인 영향도로 저지연성의 양방향 동시 지불을 가능하게 한다.

제안 방법

• 비트코인 프로토콜을 수정하지 않고도 지불 채널 논리와 비밀 키를 불신뢰할 수 있는 소프트웨어 및 하드웨어로부터 격리하고 보호하기 위해 인텔 SGX를 활용한다.
• 프로토콜 변경 없이 장기적인 지불 채널을 설정하기 위해 다중 서명 시간 잠금 거래를 사용한다.
• 각 지불에 대해 양방향으로 단일 메시지만으로도 통신이 가능하도록 프로토콜를 설계하여 이중 통신 기능을 실현한다.
• 유효한 상태는 항상 최신 상태이며, 이는 블록체인에 정착할 수 있고, 무효한 상태는 상대방에 의해 탐지 가능하다.
• 모든 상황에서 정확히 두 번의 블록체인 거래만 사용된다: 채널 설정과 정착에 각각 한 번씩.
• TEEs를 통해 어느 당사자도 현재 순수 밸런스를 초과해도 자금에 접근할 수 없도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 비트코인 블록체인을 기반으로 프로토콜 수준의 수정 없이 지불 채널 프로토콜을 구축할 수 있는가?
• RQ2 신뢰할 수 있는 실행 환경(Tee)을 사용하여 신뢰할 수 없는 지불 채널 시스템에서 강력한 보안 보장을 달성할 수 있는가?
• RQ3 이중 통신 지불 채널이 보안을 훼손하지 않으면서 밀리초 이하의 지연과 고처리량을 달성할 수 있는가?
• RQ4 TEEs를 활용하여 채널 고갈 문제를 제거하고, 신용 한도 내에서 무제한의 양방향 지불을 지원할 수 있는가?
• RQ5 채널 활동의 수와 관계없이 항상 두 번의 블록체인 거래만 필요로 하는지 보장할 수 있는가?

주요 결과

• Teechan은 최적 조건에서 단일 채널에서 초당 2,480건의 거래를 처리하는 고처리량을 달성하며, 이는 이전의 오프체인 솔루션을 크게 뛰어넘는다.
• 엔드 투 엔드 거래 지연은 최소 0.40 밀리초에 달하며, 개별 지불에 대해 밀리초 이하 성능을 입증한다.
• 채널의 신용 한도를 초과하지 않는 한 무제한의 이중 통신 지불을 지원하여 채널 고갈 문제를 해결한다.
• 지불 건수와 관계없이 항상 두 번의 블록체인 거래만 필요로 하여 블록체인 부하를 극도로 줄인다.
• 운영 체제, 하이퍼바이저, 네트워크가 손상된 경우에도 TEE의 격리로 인해 비밀 키와 논리가 보호되어 보안이 유지된다.
• 시스템은 현재 비트코인 네트워크와 완전히 호환되며, 프로토콜나 합의 메커니즘의 변경이 필요하지 않다.