[논문 리뷰] Verifiable Observation of Permissioned Ledgers

Ermyas Abebe, Yining Hu외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 14.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 22인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 허가된 블록체인의 폐쇄성에도 불구하고 외부 클라이언트가 상태를 검증 가능하게 관찰하고 검증할 수 있도록 허용하는 프로토콜을 제안한다. 정기적으로 블록체인 스냅샷의 암호학적 기록을 안전한 공용 블록체인(예: 이더리움)에 게시함으로써, 최소한 한 명의 정직한 위원회 구성원이 존재하는 악성 모델 하에서 상태의 유효성과 최신성 보장을 보장하며, 증명 가능한 안전성과 최소한의 신뢰 가정으로 교차 체인 상호운용성을 실현한다.

ABSTRACT

Permissioned ledger technologies have gained significant traction over the last few years. For practical reasons, their applications have focused on transforming narrowly scoped use-cases in isolation. This has led to a proliferation of niche, isolated networks that are quickly becoming data and value silos. To increase value across the broader ecosystem, these networks must seamlessly integrate with existing systems and interoperate with one another. A fundamental requirement for enabling crosschain communication is the ability to prove the validity of the internal state of a ledger to an external party. However, due to the closed nature of permissioned ledgers, their internal state is opaque to an external observer. This makes consuming and verifying states from these networks a non-trivial problem. This paper addresses this fundamental requirement for state sharing across permissioned ledgers. In particular, we address two key problems for external clients: (i) assurances on the validity of state in a permissioned ledger and (ii) the ability to reason about the currency of state. We assume an adversarial model where the members of the committee managing the permissioned ledger can be malicious in the absence of detectability and accountability. We present a formalization of the problem for state sharing and examine its security properties under different adversarial conditions. We propose the design of a protocol that uses a secure public ledger for providing guarantees on safety and the ability to reason about time, with at least one honest member in the committee. We then provide a formal security analysis of our design and a proof of concept implementation based on Hyperledger Fabric demonstrating the effectiveness of the proposed protocol.

연구 동기 및 목표

• 허가된 블록체인의 상태 유효성과 최신성을 외부 관찰자의 시점에서 검증하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 내부 블록체인 상태의 투명성 부족 문제를 해결하여 기존 기업 시스템과의 안전한 교차 체인 통신 및 통합을 가능하게 하기 위해.
• 모든 위원회 구성원 중 최소 하나를 제외한 나머지가 악성일 수 있는 악성 조건 하에서 상태 공유 문제를 체계화하기 위해.
• 단 하나의 정직한 구성원을 신뢰 기반으로 삼아 안전성 보장을 제공하고 시간 기반 추론을 가능하게 하는 프로토콜을 설계하기 위해.
• Hyperledger Fabric 기반 프로토타입을 통해 실현 가능성을 입증하고, 이더리움을 공지판으로 사용하기 위해.

제안 방법

• 프로토콜은 고정 간격으로 허가된 블록체인 스냅샷의 암호학적 기록을 신뢰할 수 있는 공용 블록체인(예: 이더리움)에 정기적으로 게시한다.
• 각 기록은 블록체인 내부 상태의 간결하고 공개적으로 검증 가능한 요약이며, 외부 클라이언트가 공통 시간 기준에 기반해 상태 증명을 검증할 수 있도록 한다.
• 외부 클라이언트는 공용 블록체인에서 최신 기록을 조회한 후, 특정 키-값 쌍에 대한 암호학적 소속 증명을 Fabric 에이전트로부터 요청한다.
• 시스템은 최소한 한 명의 정직한 위원회 구성원이 존재함으로써 상태의 오용을 탐지하고 도전함으로써 책임성을 확보한다.
• 성능을 향상시키기 위해 메르클 누적기록 또는 유사한 기록 기반 기법을 사용하여 다수의 상태 업데이트를 단일 요약으로 효율적으로 묶는다.
• 에이전트 수준 캐싱, 선택적 키 기록, 구성 가능한 게시 주기 등을 통해 TPS 및 가스 비용을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 데이터에 직접 접근할 수 없는 외부 클라이언트가 허가된 블록체인의 상태 스냅샷 유효성을 어떻게 검증할 수 있는가?
• RQ2 위원회 구성원이 모두 악성일 수 있는 상황에서 안전성과 탐지 가능성을 확보하기 위해 필요한 신뢰 가정은 무엇인가?
• RQ3 체인 진행 상황을 직접 볼 수 없는 상황에서 외부 클라이언트는 블록체인 상태의 최신성에 대해 어떻게 추론할 수 있는가?
• RQ4 실제 허가된 블록체인 환경에서 상태 기록 게시 및 검증의 성능 오버헤드는 얼마나 되는가?
• RQ5 기업 환경 구현에서 보안, 성능, 비용을 균형 있게 조정하기 위해 프로토콜를 어떻게 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• Smallbank 벤치마크에서 프로토콜은 최대 278.4 TPS의 처리량을 기록했으며, 이는 Hyperledger Fabric의 기본 최대 처리량의 75.2%에 해당한다.
• Trade 벤치마크에서는 121.5 TPS를 기록했으며, 이는 기본 최대 처리량의 88.1%에 해당한다.
• 외부 클라이언트의 평균 쿼리 응답 시간은 약 231ms였으며, 누적된 상태 수에 따라 변하지 않았다.
• Smallbank의 경우 프로토콜의 성능 오버헤드는 24.8%였고, Trade의 경우 12.3%였으며, 고부하 상황에서도 수용 가능한 지연 시간을 보였다.
• 선택적 키 기록, 증명 캐싱, 배치된 누적기록 업데이트 등의 최적화를 통해 성능을 추가로 향상시킬 수 있다.
• 시스템은 블록체인 상태를 공용이고 시간순서가 보장된 공지판에 고정함으로써 검증 가능하고 신뢰 최소화된 교차 체인 통신을 가능하게 한다.