[论文解读] Teechain: Scalable Blockchain Payments using Trusted Execution Environments.

Joshua Lind, Ittay Eyal+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 1被引用 42

一句话总结

Teechain 提出了一种可扩展的第二层区块链支付网络，通过使用可信执行环境（TEEs）来保护存放抵押资金的金库，实现异步的链下交易。通过利用 TEE 保护的金库和基于门限秘密共享的委员会链，Teechain 在 30 台机器的部署中实现了每秒超过 100 万笔比特币交易，性能比闪电网络高出至少 33 倍。

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

• 解决依赖全局共识和每次交易都与区块链交互的区块链支付网络所面临的可扩展性限制。
• 消除在链下交易期间对实时区块链访问的需求，从而避免用户面临延迟和拒绝服务攻击。
• 在无需信任单个 TEE 或持续与区块链交互的前提下，实现安全、高吞吐量的链下支付。
• 通过使用门限秘密共享的委员会链实现金库状态复制，设计出对金库故障具有韧性的系统。
• 实现远超现有支付网络（如闪电网络）的交易吞吐量。

提出的方法

• Teechain 使用基于硬件的可信执行环境（TEEs）来保护存放链下支付通道抵押资金的金库。
• 每个金库在不与底层区块链交互的情况下安全处理并结算链下交易，从而实现异步操作。
• Teechain 采用委员会链——一种新型的链式复制变体，结合门限秘密共享技术——在多个 TEE 上复制金库状态，确保容错能力。
• 系统通过将交易密码学绑定到受 TEE 保护的状态机来确保交易完整性和最终性，这些状态机强制执行协议规则。
• 通过允许任何参与方可通过可验证且密码学安全的争议解决流程挑战金库状态，防止恶意行为。
• 该架构将交易执行与区块链同步隔离，即使在网络分区或延迟期间也能实现高吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖实时访问底层区块链的情况下安全执行链下交易？
• RQ2 如何在保持链下支付强安全保证的前提下，最小化对单个 TEE 的信任？
• RQ3 何种系统设计能够实现在去中心化支付网络中高交易吞吐量以及对金库故障的弹性？
• RQ4 门限秘密共享与链式复制能否有效结合，构建出容错、可扩展的金库状态复制系统？
• RQ5 通过将链下执行与区块链同步解耦，相较于现有支付网络（如闪电网络），可实现多大的性能提升？

主要发现

• Teechain 的交易吞吐量至少是当前最先进的闪电网络的 33 倍。
• 30 台机器的 Teechain 部署可处理每秒超过 100 万笔比特币交易。
• 该系统实现了安全、异步的链下交易，且无需持续的区块链连接。
• 结合门限秘密共享的委员会链能有效防范金库故障，并降低对单个 TEE 的信任。
• Teechain 使用 TEE 保护的金库，确保了在无需区块链交互的情况下，链下支付仍具有强安全保证。
• 该架构通过将交易执行与区块链同步解耦，成功缓解了基于区块链访问延迟的拒绝服务攻击。