[論文レビュー] Teechain: A Secure Asynchronous Blockchain Payment Network

Joshua Lind, Oded Naor+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 1

ひとこと要約

Teechainは、信頼実行環境（TEEs）内のハードウェア保護付き財務管理（treasuries）を用いて、リアルタイムのブロックチェーンアクセスを必要としない非同期のレイヤー2決済ネットワークを提供する。委員会チェーン（committee chains）を用い、閾値秘密分散方式により財務管理状態を複製することで、30台のマシンで構成されるデプロイで1秒間に100万件以上のビットコイン取引を処理し、Lightningネットワークを最低33倍も上回る性能を達成する。

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.

研究の動機と目的

• 非同期取引中に不正行為の検出にリアルタイムのブロックチェーンアクセスを必要とする既存の決済ネットワークの制限を解消すること。
• 非同期取引中にブロックチェーンとの同期を必要としないようにすること。
• ネットワークが切断されたり遅延が生じたりする状況下でも資金の盗難を防ぐこと。
• すべてのTEEsを信頼する必要がない、スケーラブルで高スループットの決済ネットワークを構築すること。
• ハードウェア隔離と暗号的複製を用いて、安全で非同期のオフチェーン取引を可能にすること。

提案手法

• Teechainは、信頼実行環境（TEEs）上に構築されたハードウェア保護付き財務管理（treasuries）を用い、コラateralを安全に管理し、オフチェーン取引を実行する。
• 各財務管理はチャネル状態を維持し、下位のブロックチェーンと直接やり取りせずに取引を処理する。
• Teechainは、閾値秘密分散方式を用いた新しいチェーンレプリケーションのバリエーションである「委員会チェーン（committee chains）」を採用し、複数のTEEs間で財務管理状態をレプリケートして保護する。
• 委員会チェーンは、状態更新の更新に一定数の誠実なレプリカが合意する必要があることで、一貫性とフェイルセーフ性を確保する。
• 取引は暗号的に認証され、TEEs内で実行され、改ざんを防ぎ、正しく実行されることを保証する。
• システムは閾値ベースのコンセンサスメカニズムを用い、一部のTEEsが故障したり侵害されたりしても、悪意ある行動を検出し防止する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オフチェーン取引中にリアルタイムのブロックチェーンアクセスを必要としない決済ネットワークは、高いスループットとセキュリティを達成できるか？
• RQ2 分散決済システムにおいて、TEEsへの信頼を低減しつつも、強固なセキュリティ保証を維持できるか？
• RQ3 TEEsベースの非同期決済ネットワークで達成可能な最大スループットはどの程度か？
• RQ4 財務管理状態のレプリケーションを、TEEsの障害や悪意ある行動に対しても耐性を持たせられるか？
• RQ5 TEEsと閾値秘密分散方式の組み合わせにより、スケーラブルで安全かつ非同期の決済チャネル運用が可能になるか？

主な発見

• Teechainは、最先端のLightningネットワークと比較して、少なくとも33倍の高いスループットを達成する。
• 30台のマシンで構成されるTeechainのデプロイでは、1秒間に100万件を超えるビットコイン取引を処理できる。
• システムは、継続的なブロックチェーン接続を必要とせずに安全なオフチェーン取引を可能にする。
• 委員会チェーンは複数のTEEs間で財務管理状態を効果的にレプリケートし、フェイルセーフ性を確保するとともに、個々のTEEsへの信頼を低減する。
• 攻撃者がブロックチェーンへのアクセスを遅延させたりネットワーク接続を遮断したりしても、資金の盗難を防止できる。
• TEEs保護付きの財務管理を用いることで、下位のブロックチェーン上でグローバルコンセンサスをとる必要なく、効率的で安全な取引処理が可能になる。