[论文解读] Verifiable Observation of Permissioned Ledgers

Ermyas Abebe, Yining Hu+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 22被引用 5

一句话总结

本文提出一种协议，使外部客户端能够在权限制账本的封闭性质下，可验证地观察和验证账本状态。通过定期将账本快照的密码学承诺发布到安全的公共账本（例如以太坊），该系统在至少存在一名诚实委员会成员的对抗模型下，确保了状态的有效性和时效性，实现了可证明的安全性，并实现了最小信任假设下的跨链互操作性。

ABSTRACT

Permissioned ledger technologies have gained significant traction over the last few years. For practical reasons, their applications have focused on transforming narrowly scoped use-cases in isolation. This has led to a proliferation of niche, isolated networks that are quickly becoming data and value silos. To increase value across the broader ecosystem, these networks must seamlessly integrate with existing systems and interoperate with one another. A fundamental requirement for enabling crosschain communication is the ability to prove the validity of the internal state of a ledger to an external party. However, due to the closed nature of permissioned ledgers, their internal state is opaque to an external observer. This makes consuming and verifying states from these networks a non-trivial problem. This paper addresses this fundamental requirement for state sharing across permissioned ledgers. In particular, we address two key problems for external clients: (i) assurances on the validity of state in a permissioned ledger and (ii) the ability to reason about the currency of state. We assume an adversarial model where the members of the committee managing the permissioned ledger can be malicious in the absence of detectability and accountability. We present a formalization of the problem for state sharing and examine its security properties under different adversarial conditions. We propose the design of a protocol that uses a secure public ledger for providing guarantees on safety and the ability to reason about time, with at least one honest member in the committee. We then provide a formal security analysis of our design and a proof of concept implementation based on Hyperledger Fabric demonstrating the effectiveness of the proposed protocol.

研究动机与目标

• 解决外部观察者视角下验证权限制账本状态有效性和时效性的挑战。
• 通过解决内部账本状态的不透明性，实现与遗留企业系统的安全跨链通信与集成。
• 形式化在除一名委员会成员外其余成员均可能恶意的对抗条件下，状态共享问题。
• 设计一种协议，利用单一诚实成员作为信任锚点，提供安全保证和基于时间的推理能力。
• 通过在 Hyperledger Fabric 上的原型实现（以太坊作为公告板）证明其可行性。

提出的方法

• 该协议以固定时间间隔，定期将账本快照的密码学承诺发布到可信的公共账本（例如以太坊）。
• 每个承诺都是账本内部状态的简洁、公开可验证摘要，使外部客户端能够基于共同的时间参考验证状态证明。
• 外部客户端查询公共账本以获取最新承诺，然后向 Fabric 代理请求特定键值对的成员资格密码学证明。
• 该系统依赖至少一名诚实委员会成员来检测并挑战任何状态的错误陈述，从而确保问责性。
• 协议使用 Merkle 累加器或类似承诺方案，将多个状态更新高效地绑定为单一摘要，最大限度减少开销。
• 通过代理级缓存、选择性键承诺以及可配置的发布频率优化性能，降低 TPS 和 Gas 成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 外部客户端如何在无法直接访问内部数据的情况下，验证来自权限制账本的状态快照的有效性？
• RQ2 在委员会成员可能恶意的情况下，为确保安全性和可检测性，需要哪些信任假设？
• RQ3 在无法观察链进度的情况下，外部客户端如何推理账本状态的时效性？
• RQ4 在真实世界的权限制账本系统中，发布和验证状态承诺的性能开销是多少？
• RQ5 如何调整协议以在企业部署中平衡安全性、性能与成本？

主要发现

• 在 Smallbank 基准测试中，该协议实现了最高 278.4 TPS 的吞吐量，占原生 Hyperledger Fabric 峰值吞吐量的 75.2%。
• 在 Trade 基准测试中，该协议实现了 121.5 TPS，占原生峰值吞吐量的 88.1%。
• 外部客户端的平均查询响应时间约为 231ms，与累积状态数量无关。
• 该协议的性能开销在 Smallbank 上为 24.8%，在 Trade 上为 12.3%，表明在高负载下仍具有可接受的延迟。
• 通过选择性键承诺、证明缓存和批量累加器更新等优化，性能可进一步提升。
• 该系统通过将账本状态锚定到公共、时间有序的公告板，实现了可验证的、最小信任的跨链通信。