[论文解读] Scalable and Privacy-preserving Design of On/Off-chain Smart Contracts

Chao Li, Balaji Palanisamy+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 8被引用 10

一句话总结

本文提出了一种混合式链上/链下智能合约架构，通过将计算密集型或敏感操作移至仅限参与者的私有合约中执行，从而提升可扩展性和隐私性，同时使用轻量级链上合约来验证和强制执行争议情况下的结果。该方法实现了高效、私密的执行，并通过在以太坊上验证的已签名链下合约实例，实现链上争议解决。

ABSTRACT

The rise of smart contract systems such as Ethereum has resulted in a proliferation of blockchain-based decentralized applications including applications that store and manage a wide range of data. Current smart contracts are designed to be executed solely by miners and are revealed entirely on-chain, resulting in reduced scalability and privacy. In this paper, we discuss that scalability and privacy of smart contracts can be enhanced by splitting a given contract into an off-chain contract and an on-chain contract. Specifically, functions of the contract that involve high-cost computation or sensitive information can be split and included as the off-chain contract, that is signed and executed by only the interested participants. The proposed approach allows the participants to reach unanimous agreement off-chain when all of them are honest, allowing computing resources of miners to be saved and content of the off-chain contract to be hidden from the public. In case of a dispute caused by any dishonest participants, a signed copy of the off-chain contract can be revealed so that a verified instance can be created to make miners enforce the true execution result. Thus, honest participants have the ability to redress and penalize any fraudulent or dishonest behavior, which incentivizes all participants to honestly follow the agreed off-chain contract. We discuss techniques for splitting a contract into a pair of on/off-chain contracts and propose a mechanism to address the challenges of handling dishonest participants in the system. Our implementation and evaluation of the proposed approach using an example smart contract demonstrate the effectiveness of the proposed approach in Ethereum.

研究动机与目标

• 解决当前链上智能合约在可扩展性和隐私方面的局限性，即所有逻辑都在区块链上公开且彻底执行。
• 使高成本或敏感的计算仅由相关参与者在链下执行，从而减轻矿工负载并隐藏私有数据。
• 提供一种争议解决机制，使诚实参与者能够通过提交已签名的链下合约副本，在链上强制执行正确的执行结果。
• 设计一种即插即用的应用层智能合约模式，与现有区块链系统（如以太坊）兼容。
• 通过在以太坊 Kovan 测试网上的实现与评估，证明该混合模型的可行性和有效性。

提出的方法

• 将单体智能合约拆分为两个组件：用于公开、低成本功能的链上合约，以及用于私有、高成本功能的链下合约。
• 通过所有参与者的密码学签名，将链下合约与链上合约绑定，确保其完整性和真实性。
• 允许任何诚实参与者将链下合约的已签名副本提交至链上合约，以创建一个已验证实例。
• 通过合约创建逻辑在链上与链下合约之间建立唯一关联，确保只有经过所有参与者签名的链下合约才能在链上被验证。
• 利用以太坊现有基础设施和 Solidity 实现，确保兼容性和可重用性。
• 仅当链下执行结果通过密码学验证后，才使用已验证实例在链上合约中强制执行状态变更。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将智能合约执行与区块链解耦，以提升可扩展性和隐私性？
• RQ2 哪些机制可以确保链下合约执行的完整性和真实性，而无需依赖公开的链上验证？
• RQ3 诚实参与者如何检测并纠正链下合约执行中的欺诈行为？
• RQ4 在无信任环境下，强制执行链下合约结果所需的最小链上足迹是什么？
• RQ5 混合式链上/链下模型能否作为向后兼容的设计模式，集成到以太坊等现有智能合约平台中？

主要发现

• 所提出的链上/链下合约模型通过将高成本和私有操作从区块链移除，显著降低了链上计算负载，提升了可扩展性。
• 链下合约中的敏感数据和逻辑对公众保持隐藏，与完全链上执行相比，隐私保护水平显著提高。
• 该机制通过已签名的链下合约副本实现链上验证，支持争议解决并强制执行正确结果。
• 已验证实例的创建过程确保只有所有参与者签署的协议才能在链上被强制执行，防止欺诈执行。
• 在以太坊 Kovan 测试网上的实现证明了该方法的可行性和有效性，且对现有智能合约开发工作流仅需极少修改。
• 该方法与现有区块链基础设施兼容，可与零知识证明或分片等其他隐私和可扩展性解决方案结合使用。