[论文解读] Blockchain Timestamping Architecture Version 6 (BTAv6)

Adán Sánchez de Pedro Crespo, Luis Iván Cuende García|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 1被引用 18

一句话总结

本文提出区块链时间戳架构版本6（BTAv6），一种可扩展、成本效益高的系统，通过分层Merkle树和消息队列，将海量数据锚定在区块链上。该系统通过将数据哈希聚合为Merkle根，以协调一致的方式选举领导者，将根发布至以太坊和比特币，并通过基于AMQP的路由传递证明，实现近乎零边际成本的可验证、隐私保护时间戳，且无需披露原始数据。

ABSTRACT

A method for timestamping, anchoring and certification of a virtually unlimited amount of data in one or more blockchains, focusing on scalability and cost-effectiveness while ensuring existence, integrity and ownership by using cryptographic proofs that are independently verifiable by anyone in the world without disclosure of the original data and without the intervention of the certifying party.

研究动机与目标

• 解决基于OP_RETURN的区块链时间戳的可扩展性和成本限制，后者将数据锚定限制在每笔交易80字节以内，并产生高昂费用。
• 通过将哈希聚合为Merkle树并将仅根发布至区块链，实现以低成本、高吞吐量锚定数百万个数据单元。
• 确保可密码学验证、隐私保护的证明，以证明数据的存在性和完整性，且无需披露原始数据。
• 通过基于AMQP的去中心化、消息队列协调机制，消除单点故障，确保容错能力。
• 通过在每个时间段内选举单一领导者发布单一区块链交易，实现系统规模扩展时交易成本恒定。

提出的方法

• 将数据哈希聚合为分层Merkle树，将数百万个数据单元压缩为单个根哈希。
• 使用AMQP消息队列（RabbitMQ）以轮询方式在多个节点间分发哈希处理，实现负载均衡。
• 通过基于时间段的哈希计算对对等节点名称进行哈希，实现时间同步的、选举领导者的协议，以选择单个节点将最终Merkle根发布至比特币。
• 每10分钟由选举出的领导者将以太坊根发布至比特币，实现跨链锚定，且交易成本极低。
• 使用数据哈希或根哈希作为路由键，通过直接AMQP交换将证明路由至用户，确保安全且精准的交付。
• 使用密码学证明（Merkle证明），使任何人无需访问原始数据，即可验证某个数据单元的存在性和完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保持每单位成本低廉的同时，将区块链时间戳扩展至支持数百万个数据单元？
• RQ2 如何在多个节点间实现去中心化的协调，以避免冗余的区块链交易？
• RQ3 如何高效地将可验证、隐私保护的证明交付给用户，且不披露原始数据？
• RQ4 何种架构模式可实现分布式时间戳系统中的容错性和弹性？
• RQ5 如何将区块链锚定的成本与被时间戳化的数据单元数量解耦？

主要发现

• 通过将数据聚合为Merkle树并仅发布根哈希，系统实现了每单位时间戳的渐近零边际成本，使单位成本恒定，与规模无关。
• 采用选举领导者的协议，确保每个10分钟时间帧仅发布一笔区块链交易，即使节点数量增加，每日交易成本也保持恒定。
• 基于AMQP的消息路由机制实现了容错能力，因为未确认的消息在发生故障时会自动重新路由至可用节点。
• 该架构支持使用Merkle证明实现可验证、隐私保护的证明，任何人都可独立验证，而无需访问原始数据。
• 系统通过固定时间帧（以太坊为1分钟，比特币为10分钟）和基于时间段的领导者选择机制，确保节点间的一致性。
• 最终的证明结构允许用户仅使用区块链根和最小的Merkle路径，即可验证数据的存在性和完整性，确保通用性和独立可验证性。