[論文レビュー] Testimonium: A Cost-Efficient Blockchain Relay

Philipp Frauenthaler, Marten Sigwart+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 23被引用数 12

ひとこと要約

Testimonium は、オンデマンドでの検証メカニズムとオンチェーンの簡易決済検証（SPV）を活用して、クロスチェーンデータの包含を検証する、コスト効率が高く完全に分散化されたブロックチェーンリレーシステムを提案する。既存のソリューションと比較して、Ethereumベースのブロックチェーンでは運用コストを最大92％まで削減でき、中央集権的な中間者を必要とせずに安全で信頼性のない相互運用性を実現する。

ABSTRACT

Current blockchain technologies provide very limited means of interoperability. In particular, solutions enabling blockchains to verify the existence of data on other blockchains are either very costly or are not fully decentralized. To overcome these limitations, we introduce Testimonium, a novel blockchain relay scheme that applies a validation-on-demand pattern and the on-chain execution of Simplified Payment Verifications to enable the verification of data across blockchains while remaining fully decentralized. Evaluating the scheme for Ethereum-based blockchains shows that Testimonium achieves a cost reduction of up to 92% over existing solutions. As such, the scheme lays a strong foundation for generic blockchain interoperability. For instance, it enables the development of an atomic-commit protocol for distributed transactions across blockchains.

研究の動機と目的

• EVMベースのブロックチェーンにおいて、高価な検証プロトコルを備えたオンチェーン検証の高い運用コストを低減すること。
• 信頼できる第三者や中央集権的な公証人を一切依存せずに、完全に分散化されたブロックチェーン相互運用性を実現すること。
• クロスチェーン取引の包含検証コストを削減しながらも、暗号的セキュリティと分散化の保証を維持すること。
• スケーラブルでコスト効率の良いリレーインfraを提供することで、複数のブロックチェーン間でのアトミックコミットプロトコルの開発を支援すること。

提案手法

• 本スキームは、オンデマンド検証のパターンを採用しており、送信元ブロックチェーンのブロックヘッダを、実際に検証が必要とされる場合にのみ宛先ブロックチェーンに提出する。
• Merkle証明とブロックヘッダメタデータを用いて、暗号的に取引の包含を検証するオンチェーンSPV（簡易決済検証）を活用する。
• 参加者がブロックヘッダを提出・検証するよう促す、革新的なインcentiveメカニズムを導入し、中央集権的な調整なしに持続的な参加を確保する。
• 宛先チェーン上でEthereum仮想マシン（EVM）の実行を用いてブロックヘッダを検証することで、信頼の仮定を最小限に抑える。
• EthereumとEthereum Classicの両方をサポートし、Ethashのような計算コストの高い検証プロトコルに対しても最適化を実施する。
• 全ヘッダを毎回オンチェーンで検証するのを避け、取引の包含が実際に要求された場合にのみ検証を延期する設計である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、完全な分散化と信頼性のなさを保ちながら、ブロックチェーンリレーのコスト効率を高めることができるか？
• RQ2 中央集権的な信頼を必要とせずに、ブロックチェーン間でブロックヘッダの安全なオンデマンド検証を実現するメカニズムは何か？
• RQ3 SPVとインcentiveベースの参加を用いる場合、クロスチェーン検証におけるコストをどの程度まで削減できるか？
• RQ4 計算コストの高い検証プロトコルを備えたEVMベースのブロックチェーンに、リレーシステムをスケーラブルに拡張できるか？

主な発見

• Testimonium は、Ethereumベースのブロックチェーンにおける既存のリレーソリューションと比較して、運用コストを最大92％まで削減した。
• 本スキームは、信頼できる中間者に依存せずに、SPVとMerkle証明を用いて、クロスチェーン取引の包含検証を完全に分散化可能にした。
• オンデマンド検証メカニズムにより、全提出ブロックヘッダをオンチェーンで検証する必要がなくなり、コストを著しく削減した。
• インcentive構造により、参加者の持続的な関与が保証され、長期的な利用に実用的であることが確認された。
• プロトタイプ実装は、EVMベースのブロックチェーンにおける信頼性の高い安全なクロスチェーン検証を示した。
• Testimonium は、信頼性のない低コストなクロスチェーンデータ検証を可能にすることで、複数のブロックチェーン間でのアトミックコミットプロトコル構築の基盤を築いた。