[论文解读] Teechain: A Secure Asynchronous Blockchain Payment Network

Joshua Lind, Oded Naor+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Blockchain Technology Applications and Security被引用 1

一句话总结

Teechain 引入了一种安全、异步的第二层支付网络，通过可信执行环境（TEEs）中的硬件保护资金库来实现离线交易，而无需实时访问区块链。通过使用基于门限秘密共享的委员会链来复制资金库状态，Teechain 在 30 台机器的部署中实现了每秒超过 100 万笔比特币交易，性能比 Lightning 至少高出 33 倍。

ABSTRACT

Blockchains such as Bitcoin and Ethereum execute payment transactions securely, but their performance is limited by the need for global consensus. Payment networks overcome this limitation through off-chain transactions. Instead of writing to the blockchain for each transaction, they only settle the final payment balances with the underlying blockchain. When executing off-chain transactions in current payment networks, parties must access the blockchain within bounded time to detect misbehaving parties that deviate from the protocol. This opens a window for attacks in which a malicious party can steal funds by deliberately delaying other parties' blockchain access and prevents parties from using payment networks when disconnected from the blockchain. We present Teechain, the first layer-two payment network that executes off-chain transactions asynchronously with respect to the underlying blockchain. To prevent parties from misbehaving, Teechain uses treasuries, protected by hardware trusted execution environments (TEEs), to establish off-chain payment channels between parties. Treasuries maintain collateral funds and can exchange transactions efficiently and securely, without interacting with the underlying blockchain. To mitigate against treasury failures and to avoid having to trust all TEEs, Teechain replicates the state of treasuries using committee chains, a new variant of chain replication with threshold secret sharing. Teechain achieves at least a 33x higher transaction throughput than the state-of-the-art Lightning payment network. A 30-machine Teechain deployment can handle over 1 million Bitcoin transactions per second.

研究动机与目标

• 解决现有支付网络在检测不当行为时需要实时访问区块链的局限性。
• 消除离线交易过程中对区块链同步交互的需求。
• 防止在网络断开或延迟条件下发生资金被盗。
• 构建一个可扩展、高吞吐量的支付网络，且无需信任所有 TEE。
• 利用硬件隔离和密码学复制技术，实现安全、异步的离线交易。

提出的方法

• Teechain 使用基于可信执行环境（TEEs）的硬件保护资金库，安全地管理抵押品并执行离线交易。
• 每个资金库维护一个通道状态，并在不与底层区块链交互的情况下处理交易。
• Teechain 采用委员会链——一种新型的链式复制变体，结合门限秘密共享技术——在多个 TEE 上复制和保护资金库状态。
• 委员会链通过要求足够多诚实副本就状态更新达成一致，确保一致性和容错能力。
• 交易在 TEE 内部进行密码学认证和执行，防止篡改并确保正确性。
• 系统采用基于门限的共识机制，即使部分 TEE 失效或被攻破，也能检测并防止恶意行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 支付网络能否在离线交易期间无需实时访问区块链的情况下，实现高吞吐量和高安全性？
• RQ2 在分布式支付系统中，如何在保持强安全保证的同时降低对 TEE 的信任？
• RQ3 基于 TEE 的异步支付网络可实现的最大交易吞吐量是多少？
• RQ4 如何使资金库状态复制在 TEE 失效或遭受敌对行为时仍具备弹性？
• RQ5 TEE 与门限秘密共享的结合能否实现可扩展、安全且异步的支付通道操作？

主要发现

• Teechain 的交易吞吐量至少是当前最先进的 Lightning 网络的 33 倍。
• 30 台机器的 Teechain 部署可支持每秒超过 100 万笔比特币交易。
• 该系统可在无需持续区块链连接的情况下实现安全的离线交易。
• 委员会链能有效在多个 TEE 上复制资金库状态，确保容错性并降低对单个 TEE 的信任。
• 即使攻击者延迟区块链访问或破坏网络连接，Teechain 也能防止资金被盗。
• 使用 TEE 保护的资金库可实现高效且安全的交易处理，且无需在底层区块链上达成全局共识。