[论文解读] Teechain: A Secure Payment Network with Asynchronous Blockchain Access

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

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 42被引用 24

一句话总结

Teechain 提出了一种安全的异步支付网络，利用硬件强制的可信执行环境（TEEs）实现链下交易，正常运行期间无需区块链监控。通过使用飞地保护的密钥和基于超时与锁机制的原子状态更新，它实现了可扩展、低延迟的支付，仅在故障情况下才进行最终的链上结算，从而减少区块链膨胀，并支持离线渠道关闭。

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.

研究动机与目标

• 设计一种在正常操作期间最小化区块链交互的支付网络，同时确保安全性和一致性。
• 解决在缺乏消息传递保证的情况下，异步支付路由中的消息丢失和网络攻击问题。
• 实现在不使用链上交易的情况下关闭支付渠道并迁移余额，支持多路径间迁移。
• 通过基于时间的超时机制和飞地完整性确保最终性，从而消除对持续区块链监控的需求。
• 通过共享密钥和状态锁定，支持通过多跳路径高效、安全地路由支付。

提出的方法

• 使用 TEE 保护的私钥管理渠道存款和承诺，实现安全的链下状态更新。
• 采用多步骤协议，包括密钥共享、状态锁定和基于超时的恢复机制，确保支付路径间的一致性。
• 引入一种渠道设置机制，允许将单笔存款交易中未使用的输出动态重新分配给新渠道，从而减少区块链开销。
• 依赖基于时间的超时机制（T1, T2, T3, T4）检测非响应节点，并触发回滚或终止至最后已知状态。
• 仅在必要时使用单个原子交易将旧的渠道状态刷新至区块链，确保正确性并防止部分结算。
• 通过允许参与者释放锁定的输出并使用共享密钥和状态同步将余额迁移到新路径，实现离线渠道关闭。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不依赖消息传递保证的情况下，支付网络能否在存在任意消息丢失的情况下实现强一致性和安全性？
• RQ2 当某些节点发生故障或无法访问时，如何安全地更新和回滚多跳支付路径中的渠道状态？
• RQ3 是否可能仅通过飞地保护的密钥和超时机制，在不接触区块链的情况下关闭支付渠道并迁移余额？
• RQ4 网络能否在最小化链上交易量和监控的同时，支持高效、可扩展的路由？
• RQ5 系统如何确保没有单个节点持有所有密钥或状态，同时仍能在故障场景下实现正确最终结算？

主要发现

• 该协议通过 TEE 保护的密钥和基于超时的状态管理机制，实现了使用多跳路径的安全、异步支付路由。
• 渠道关闭和余额迁移可完全在链下完成，减少区块链使用并支持离线结算。
• 仅在必要时使用单个原子交易将旧的渠道状态刷新至区块链，确保一致性并防止部分结算。
• 通过强制实施基于时间的恢复机制，防止恶意行为，若节点未能响应则触发回滚或终止。
• 通过共享密钥和状态锁定，确保在更新期间无法通过渠道路由任何支付，从而防止竞争条件。
• 该协议支持将单笔存款交易中未使用的输出动态重新分配给新渠道，从而减少抵押品和区块链开销。