[논문 리뷰] Scalable and Privacy-preserving Design of On/Off-chain Smart Contracts

Chao Li, Balaji Palanisamy외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 18.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 8인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 계산적으로 복잡하거나 민감한 작업을 참여자 전용의 비공개 계약으로 이관함으로써 확장성과 기밀성을 향상시키는 하이브리드 온체인/오프체인 스마트 계약 아키텍처를 제안한다. 이는 분쟁 발생 시 결과를 검증하고 강제할 수 있는 경량 온체인 계약을 통해 이루어지며, 이는 서명된 오프체인 계약 인스턴스를 통해 검증된 인스턴스 메커니즘을 통해 이더리움에서 실행된다. 이 방법은 온체인 분쟁 해결을 통해 효율적이고 기밀성이 보장된 실행을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The rise of smart contract systems such as Ethereum has resulted in a proliferation of blockchain-based decentralized applications including applications that store and manage a wide range of data. Current smart contracts are designed to be executed solely by miners and are revealed entirely on-chain, resulting in reduced scalability and privacy. In this paper, we discuss that scalability and privacy of smart contracts can be enhanced by splitting a given contract into an off-chain contract and an on-chain contract. Specifically, functions of the contract that involve high-cost computation or sensitive information can be split and included as the off-chain contract, that is signed and executed by only the interested participants. The proposed approach allows the participants to reach unanimous agreement off-chain when all of them are honest, allowing computing resources of miners to be saved and content of the off-chain contract to be hidden from the public. In case of a dispute caused by any dishonest participants, a signed copy of the off-chain contract can be revealed so that a verified instance can be created to make miners enforce the true execution result. Thus, honest participants have the ability to redress and penalize any fraudulent or dishonest behavior, which incentivizes all participants to honestly follow the agreed off-chain contract. We discuss techniques for splitting a contract into a pair of on/off-chain contracts and propose a mechanism to address the challenges of handling dishonest participants in the system. Our implementation and evaluation of the proposed approach using an example smart contract demonstrate the effectiveness of the proposed approach in Ethereum.

연구 동기 및 목표

• 현재 온체인 스마트 계약이 모든 로직을 공개적으로 및 완전히 블록체인에서 실행하기 때문에 발생하는 확장성 및 기밀성 한계를 해결하기 위해.
• 고비용 또는 민감한 계산을 관련 참여자들만이 오프체인에서 실행함으로써 마이너의 부담을 줄이고 비밀 데이터를 숨길 수 있도록 하기 위해.
• 정직한 참여자가 서명된 오프체인 계약 사본을 사용하여 온체인에서 잘못된 실행 결과를 강제로 이행할 수 있는 분쟁 해결 메커니즘을 제공하기 위해.
• 기존의 이더리움 같은 블록체인 시스템과 호환되는 플러그 앤 플레이, 애플리케이션 수준의 스마트 계약 패턴을 설계하기 위해.
• 이더리움 코반 테스트넷에서의 구현 및 평가를 통해 하이브리드 모델의 실현 가능성과 효과성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 단일 스마트 계약을 두 구성 요소로 분할: 온체인 계약은 공개적이고 저비용 기능을 담당하고, 오프체인 계약은 비밀스럽고 고비용 기능을 담당한다.
• 모든 참여자가 서명하여 오프체인 계약을 온체인 계약과 연결함으로써 무결성과 진위성을 보장한다.
• 정직한 참여자가 서명된 오프체인 계약 사본을 온체인 계약에 제출하여 검증된 인스턴스를 생성할 수 있도록 한다.
• 계약 생성 로직을 통해 온체인 및 오프체인 계약 간의 유일한 연결 고리를 설정함으로써, 오직 서명된, 합의된 오프체인 계약만이 온체인에서 검증될 수 있도록 보장한다.
• 이더리움의 기존 인프라와 솔리디티를 활용하여 구현함으로써 호환성과 재사용성을 확보한다.
• 검증된 인스턴스를 통해 오프체인 실행 결과가 암호학적으로 검증된 경우에만 온체인 계약의 상태 변경을 강제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스마트 계약 실행을 블록체인에서 분리하여 확장성과 기밀성을 향상시킬 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 공개적인 온체인 검증에 의존하지 않고도 오프체인 계약 실행의 무결성과 진위성을 보장할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 정직한 참여자가 오프체인 계약 실행에서의 위법 행위를 감지하고 시정할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 신뢰할 수 없는 방식으로 오프체인 계약 결과를 강제하기 위해 필요한 최소한의 온체인 프로필은 무엇인가?
• RQ5 하이브리드 온체인/오프체인 모델은 기존의 이더리움 같은 스마트 계약 플랫폼에서 후행 호환 가능한 설계 패턴으로 구현될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 온체인/오프체인 계약 모델은 고비용 및 비밀스러운 작업을 블록체인 외부로 이관함으로써 온체인 계산 부하를 줄여 확장성을 향상시킨다.
• 오프체인 계약 내 민감한 데이터와 로직은 공개적으로 노출되지 않아, 완전히 온체인 실행에 비해 기밀성이 크게 향상된다.
• 서명된 사본을 통한 온체인 검증 메커니즘을 통해 오프체인 계약 결과의 검증이 가능해져 분쟁 해결 및 정확한 결과 강제가 가능해진다.
• 검증된 인스턴스 생성 과정은 오직 모든 참여자가 서명한 합의안만이 온체인에서 강제될 수 있도록 보장하여 위조 실행을 방지한다.
• 이더리움 코반 테스트넷에서의 구현은 기존 스마트 계약 개발 워크플로우에 최소한의 변경만으로도 접근법의 실현 가능성과 효과성을 입증한다.
• 이 방법은 기존의 블록체인 인프라와 호환되며, 제로 지식 증명 또는 스파닝과 같은 다른 기밀성 및 확장성 솔루션과 조합하여 사용할 수 있다.