[论文解读] AQUAREUM: Non-Equivocating Censorship-Evident Centralized Ledger with EVM-Based Verifiable Execution using Trusted Computing and Blockchain

Ivan Homoliak, Larangeira, Mario+2 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 38被引用 4

一句话总结

Aquareum 是一种新型框架，通过结合可信执行环境（TEEs）和公共区块链，为集中式账本增强了可验证性、非歧义性以及审查抵制证据。它利用发布在区块链（例如以太坊）上的 TEE 验证证明，确保交易完整性并检测审查行为，在通用硬件上实现了 450+ TPS 的性能，同时通过与 EVM 集成，支持任意智能合约。

ABSTRACT

Distributed ledger systems (i.e., blockchains) have received a lot of attention. They promise to enable mutually untrusted participants to execute transactions while providing the immutability of the data and censorship resistance. Although decentralized ledgers are a disruptive innovation, as of today, they suffer from scalability, privacy, or governance issues. Therefore, they are inapplicable for many important use cases, where interestingly, centralized ledger systems might gain adoption. Unfortunately, centralized ledgers have also drawbacks, e.g., a lack of efficient verifiability or a higher risk of censorship and equivocation. In this paper, we present AQUAREUM, a novel framework for centralized ledgers removing their main limitations. By a unique combination of a trusted execution environment (TEE) with a public blockchain, AQUAREUM provides publicly verifiable non-equivocating censorship-evident private and high-performance ledgers. AQUAREUM is integrated with a Turing-complete virtual machine (e.g., EVM), allowing arbitrary transaction processing logic, such as transfers or client-specified smart contracts. AQUAREUM is fully implemented and can process over 400 transactions per second on a commodity PC. Furthermore, we modeled AQUAREUM using the Universal Composability framework and proved its security.

研究动机与目标

• 解决集中式账本系统中可验证性、非歧义性和抗审查性缺失的问题。
• 实现在集中式账本中公开可验证、抗篡改且可检测审查的交易处理。
• 将可信执行环境（TEE）与公共区块链集成，为集中式系统提供强安全保证，而无需完全去中心化。
• 通过与以太坊虚拟机（EVM）集成，支持任意交易逻辑，包括智能合约。
• 利用现有技术与真实世界部署，证明该方法的实用性和高效性。

提出的方法

• TEE 飞地验证每个账本更新的正确性与一致性，并生成密码学证明。
• 将 TEE 生成的证明发布在公共区块链（例如以太坊）上，实现公开验证并确保非歧义性。
• 当客户端向区块链提交查询时，若操作员未响应，则可检测到审查行为；操作员必须通过 TEE 响应，并生成可公开验证的解决证明。
• 系统使用智能合约管理查询处理与证明发布，实现对操作员异常行为的自动化检测。
• 该框架基于 EVM 构建，支持图灵完备的逻辑，允许部署代币和客户端定义的智能合约等任意账本应用。
• 所有组件均使用现有技术实现，确保可在通用硬件上直接部署。

实验结果

研究问题

• RQ1 集中式账本能否在不完全去中心化的情况下实现公开可验证性和非歧义性？
• RQ2 如何使集中式账本中的审查行为可检测并公开可见？
• RQ3 可信执行环境（TEE）能否与公共区块链有效结合，为集中式系统提供强安全保证？
• RQ4 将 TEE 与区块链集成用于账本验证和审查检测，其性能开销如何？
• RQ5 所构建的系统能否在保持高效性与强安全属性的前提下，支持任意智能合约逻辑？

主要发现

• Aquareum 在通用 PC 上实现了超过 450 笔/秒的吞吐量，尽管存在密码学验证开销，仍展现出良好的实用性。
• 通过将 TEE 生成的证明发布在公共区块链上，系统提供了强有力的非歧义性保证，确保不存在冲突的账本快照。
• 通过客户端发起的查询机制，使审查行为可被检测：该机制强制操作员以可公开验证的证明形式作出响应。
• 通过与 EVM 集成，该框架支持任意交易逻辑，可实现代币和客户端定义的智能合约部署。
• 系统已完全实现并可直接部署，无需可信设置或新颖的密码学假设。
• 该方法有效缓解了非歧义性和审查风险，同时保持了隐私与性能，为集中式与完全去中心化账本提供了一种可行的替代方案。