[论文解读] Qanaat: A Scalable Multi-Enterprise Permissioned Blockchain System with Confidentiality Guarantees

Mohammad Javad Amiri, Boon Thau Loo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2021

Blockchain Technology Applications and Security被引用 4

一句话总结

Qanaat 是一种可扩展的、多企业许可的区块链系统，通过公共、本地和中间数据集合的分层数据模型，确保协作工作流中的机密性。它采用受限的事务排序方案和一套共识协议，实现企业间跨分片和企业内事务的安全、高性能处理，在可扩展性方面优于 Hyperledger Fabric 及其变体，同时保持数据隐私。

ABSTRACT

Today's large-scale data management systems need to address distributed applications' confidentiality and scalability requirements among a set of collaborative enterprises. This paper presents Qanaat, a scalable multi-enterprise permissioned blockchain system that guarantees the confidentiality of enterprises in collaboration workflows. Qanaat presents data collections that enable any subset of enterprises involved in a collaboration workflow to keep their collaboration private from other enterprises. A transaction ordering scheme is also presented to enforce only the necessary and sufficient constraints on transaction order to guarantee data consistency. Furthermore, Qanaat supports data consistency across collaboration workflows where an enterprise can participate in different collaboration workflows with different sets of enterprises. Finally, Qanaat presents a suite of consensus protocols to support intra-shard and cross-shard transactions within or across enterprises.

研究动机与目标

• 解决涉及相互不信任企业的多企业区块链应用中的可扩展性和机密性挑战。
• 在不向其他企业暴露数据的情况下，实现企业子集之间的私密协作，即使在同一工作流中也是如此。
• 确保同一企业与不同合作伙伴参与多个协作工作流时的数据一致性。
• 通过隐私防火墙机制防止恶意节点泄露机密数据。
• 通过分片和优化的共识协议，支持高吞吐量事务处理，实现分片内和跨分片操作。

提出的方法

• Qanaat 采用包含三种类型数据集合的分层数据模型：公共数据（全球复制）、本地数据（企业专属）和中间数据（在协作企业子集间共享）。
• 它引入了一种事务排序方案，仅施加必要且充分的约束以保持数据一致性，从而最小化全局排序开销。
• 该系统使用隐私防火墙机制，防止恶意节点泄露机密数据，包括请求、响应和存储记录。
• 每个企业将其数据划分为多个分片，每个分片由专用的节点集群处理，以提升可扩展性。
• 设计了一套共识协议，用于处理分片内和跨分片事务，其中跨企业操作采用协调者驱动的协议，跨分片操作采用扁平化协议。
• 通过防篡改账本支持数据可追溯性和不可变性，确保跨工作流的数据血缘关系可验证且透明。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保持数据一致性的前提下，使许可区块链系统支持任意企业子集之间的保密协作？
• RQ2 在多企业、多工作流环境中，何种事务排序策略能最小化性能开销并确保正确性？
• RQ3 如何在防止被动观察者访问的同时，也防止网络内恶意节点泄露数据？
• RQ4 何种共识协议设计可在多企业、分片化架构中实现分片内和跨分片事务的高可扩展性？
• RQ5 系统如何在涉及同一企业与不同合作伙伴的多个协作工作流中保持数据一致性？

主要发现

• 由于减少了全局排序开销，Qanaat 在跨企业事务工作负载中显著优于 Hyperledger Fabric 及其变体，表现出更高的吞吐量。
• 在跨企业事务处理中，协调者驱动的共识协议优于扁平化协议；而在跨分片事务中，扁平化协议表现更优。
• 具有中间数据集合的分层数据模型可实现企业子集之间的保密协作，而不会向无关方暴露数据。
• 隐私防火墙机制能有效防止恶意节点泄露数据，即使这些节点控制了网络的部分区域。
• 事务排序方案减少了不必要的全局排序约束，提升了性能，同时在复杂工作流中保持了数据一致性。
• Qanaat 的分片与共识设计支持在涉及同一企业的多个协作工作流中实现可扩展、安全且一致的数据处理。