[论文解读] Requirements for Ethereum Private Sidechains

Peter Robinson|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 4被引用 13

一句话总结

本文提出以太坊私有侧链——一种基于以太坊主网实现强安全保证的许可制、认证加密区块链。该文引入以太坊注册机构（ERAs）以实现按需启动侧链，并提出一种安全的管理与固定策略，通过密码学方法将侧链状态与主网绑定，解决了现有客户端（如 Quorum、Parity 和 Hyperledger Fabric）在关键方面的不足。

ABSTRACT

The Enterprise Ethereum Client Specification by the Enterprise Ethereum Alliance defines the requirements which Ethereum Clients offering private smart contract capabilities should comply with. This specification though ground breaking, misses some important blockchain requirements and does not fully consider the requirements of Ethereum Clients offering Private Sidechain capabilities. This paper presents the case for Private Sidechains and defines requirements to be complied with to deliver this technology. The capabilities of three blockchain clients have been analysed based on the requirements: Quorum, Parity, and Hyperledger Fabric. Quorum and Hyperledger Fabric operate as private consortium blockchains where as Parity delivers private transaction capabilities on top of Ethereum MainNet. These differing approaches has led to different strengths and weaknesses which has resulted in each client not complying with one or more key requirement. In particular, none of the reviewed blockchain clients support the ability to determine bootstrap information to establish on-demand blockchains and none of the clients support secure management and pinning from Ethereum MainNet. This paper presents Ethereum Private Sidechains and a range of technologies which allow it to deliver on complex sidechain requirements. Ethereum Registration Authorities are presented, which allow entities which have not previously interacted to securely obtain information to bootstrap a sidechain, and a Management and Pinning strategy is described which allows the state of a sidechain to be securely pinned to Ethereum MainNet without compromising privacy.

研究动机与目标

• 解决现有企业实现中私有以太坊侧链缺乏标准化、安全且可按需启动的机制的问题。
• 定义以太坊私有侧链的要求，确保强隐私性、完整性与信任度，同时不损害去中心化原则。
• 通过以太坊主网作为信任锚点，利用以太坊注册机构（ERAs）实现安全、按需建立私有侧链。
• 提供一种安全的管理与固定策略，使侧链状态能够以密码学方式锚定至主网，而无需暴露私有数据。
• 识别并填补 Quorum、Parity 和 Hyperledger Fabric 在启动发现、安全固定与跨链互操作性方面的关键缺陷。

提出的方法

• 提出以太坊注册机构（ERAs）作为部署在以太坊主网上的智能合约，通过域名和组织元数据实现无需信任的、按需发现与私有侧链启动。
• 设计一种安全的管理与固定策略，利用认证加密与不可否认性保证，将侧链状态以密码学方式固定至以太坊主网。
• 提出一种模块化共识架构，支持私有侧链共识机制，并与以太坊主网的共识机制兼容。
• 定义侧链间通信协议，实现在保护隐私与完整性的前提下，安全且受控的数据交换。
• 建立侧链生命周期管理框架，包括配置、归档与速率限制机制，以防止垃圾信息并确保运行韧性。
• 在企业以太坊客户端规范基础上进行适应与扩展，新增要求（如 SC-4a-Pinning、SC-3a-SidechainFindOrEstablishmentApi），以正式化侧链功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在无需事先协调或互信的情况下，实现私有以太坊侧链的按需建立？
• RQ2 何种机制可确保私有侧链状态在不泄露私有数据的前提下，仍能以密码学方式与以太坊主网绑定？
• RQ3 为何现有客户端（如 Quorum、Parity 和 Hyperledger Fabric）无法满足安全、可扩展且可互操作的私有侧链的关键需求？
• RQ4 如何利用以太坊主网作为信任根，实现去中心化、无信任的私有侧链发现机制？
• RQ5 为支持以太坊生态内安全、可扩展且可组合的私有侧链，需在架构与协议层面进行哪些增强？

主要发现

• 在所审查的客户端中——Quorum、Parity 和 Hyperledger Fabric 均不支持按需建立侧链时的启动信息发现，这对动态私有区块链部署而言是关键缺陷。
• 无一客户端完全支持将侧链状态安全地管理并固定至以太坊主网，导致侧链面临状态篡改或审计能力丧失的风险。
• 以太坊注册机构（ERAs）通过在主网上发布经验证、密码学签名的域名与侧链元数据映射，成功实现无信任、按需的侧链设置。
• 所提出的加密固定策略利用认证加密与不可否认性，将侧链状态锚定至主网，确保完整性的同时不暴露私有数据。
• Quorum 与 Hyperledger Fabric 支持私有共识与认证加密，但缺乏发现与固定支持；Parity 支持主网上的私有交易，但不支持完整的侧链功能。
• 分析表明，当前实现未能满足企业以太坊客户端规范的关键要求，尤其在侧链发现（BC-3a）、固定（SC-4a）与多侧链支持（SC-4g）方面存在明显不足。