[論文レビュー] Verifiable Observation of Permissioned Ledgers

Ermyas Abebe, Yining Hu+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

この論文では、閉鎖的な性質を持つにもかかわらず、外部クライアントが許可付きブロックチェーンの状態を検証可能に観察・検証できるプロトコルを提案する。定期的に、安全な公開ブロックチェーン（例：Ethereum）に、ブロックチェーンスナップショットの暗号的コミットメントを発行することで、少なくとも1人の誠実な委員会メンバーを前提とした悪意のある環境下でも、状態の正当性と最新性を保証する。これにより、最小限の信頼仮定でクロスチェーン相互運用性を実現する、検証可能かつ安全なプロトコルが達成される。

ABSTRACT

Permissioned ledger technologies have gained significant traction over the last few years. For practical reasons, their applications have focused on transforming narrowly scoped use-cases in isolation. This has led to a proliferation of niche, isolated networks that are quickly becoming data and value silos. To increase value across the broader ecosystem, these networks must seamlessly integrate with existing systems and interoperate with one another. A fundamental requirement for enabling crosschain communication is the ability to prove the validity of the internal state of a ledger to an external party. However, due to the closed nature of permissioned ledgers, their internal state is opaque to an external observer. This makes consuming and verifying states from these networks a non-trivial problem. This paper addresses this fundamental requirement for state sharing across permissioned ledgers. In particular, we address two key problems for external clients: (i) assurances on the validity of state in a permissioned ledger and (ii) the ability to reason about the currency of state. We assume an adversarial model where the members of the committee managing the permissioned ledger can be malicious in the absence of detectability and accountability. We present a formalization of the problem for state sharing and examine its security properties under different adversarial conditions. We propose the design of a protocol that uses a secure public ledger for providing guarantees on safety and the ability to reason about time, with at least one honest member in the committee. We then provide a formal security analysis of our design and a proof of concept implementation based on Hyperledger Fabric demonstrating the effectiveness of the proposed protocol.

研究の動機と目的

• 許可付きブロックチェーンの内部データに直接アクセスできない外部観測者視点から、状態の正当性と最新性を検証する課題に対処すること。
• 内部ブロックチェーン状態の不透明性を解消することで、レガシーエンタープライズシステムとの安全なクロスチェーン通信および統合を可能にすること。
• すべての委員会メンバーのうち1人を除き悪意ある状況下での状態共有問題を形式化すること。
• 少なくとも1人の誠実なメンバーを信頼の基準とする安全な保証と時系列的推論を提供するプロトコルを設計すること。
• Hyperledger Fabric上でプロトタイプ実装を行い、Ethereumを公告板として用いることで、実現可能性を実証すること。

提案手法

• プロトコルは、固定間隔で、信頼できる公開ブロックチェーン（例：Ethereum）に、ブロックチェーンスナップショットの暗号的コミットメントを定期的に発行する。
• 各コミットメントは、ブロックチェーン内部状態の要約的で、公開に検証可能なダイジェストであり、外部クライアントが共通の時刻基準に基づいて状態証明を検証可能にする。
• 外部クライアントは、公開ブロックチェーンから最新のコミットメントを照会し、特定のキー・バリュー対についてFabricエージェントから暗号的証明（メンバーシップ証明）を要求する。
• 状態の不正表示を検出・挑戦できるよう、少なくとも1人の誠実な委員会メンバーに依存しており、責任の追及が可能になる。
• 複数の状態更新を1つのダイジェストに効率的に束ねるため、Merkleアキュムレータまたは同等のコミットメント方式を採用し、オーバーヘッドを最小限に抑える。
• TPSおよびガスコストの削減を目的に、エージェントレベルのキャッシュ、選択的キーコミットメント、および設定可能な発行頻度を用いてパフォーマンスを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 許可付きブロックチェーンの内部データに直接アクセスできない外部クライアントは、どのように状態スナップショットの正当性を検証できるか？
• RQ2 委員会メンバーが悪意を持つ可能性がある状況下で、安全性和検出可能性を保証するために必要な信頼仮定は何か？
• RQ3 チェーンの進行状況を可視化できない状況下で、外部クライアントはどのようにブロックチェーン状態の最新性を推論できるか？
• RQ4 実世界の許可付きブロックチェーンシステムにおいて、状態コミットメントの発行および検証に伴うパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ5 企業環境での展開において、セキュリティ、パフォーマンス、コストのバランスをどのように調整できるか？

主な発見

• Smallbankベンチマークでは、プロトコルが最大278.4 TPSを達成し、ネイティブHyperledger Fabricのピークスループットの75.2％を占めた。
• Tradeベンチマークでは、プロトコルが121.5 TPSを達成し、ネイティブピークスループットの88.1％を占めた。
• 外部クライアントの平均クエリ応答時間は約231msであり、蓄積された状態数に依存しない。
• プロトコルのパフォーマンスオーバーヘッドはSmallbankで24.8％、Tradeで12.3％であり、高いトランザクション負荷下でも許容可能な遅延を示した。
• 選択的キーコミットメント、証明キャッシュ、バッチ処理されたアキュムレータ更新などの最適化により、さらなるパフォーマンス向上が可能である。
• ブロックチェーン状態を公開で時系列的に整列された公告板にアンカリングすることで、検証可能で信頼最小限のクロスチェーン通信が実現可能となった。