ODYSSEY: Reestablishing Confidentiality in Confidential Blockchain via Delegated Execution

Stellen Sie sich ein hochkarätiges Pokerspiel vor, das von einer Gruppe von Geschäftspartnern gespielt wird. Sie wollen ihre Karten und Wettstrategien geheim vor den anderen halten, aber sie müssen auch darauf vertrauen, dass das Spiel fair gespielt wird und niemand schummelt, indem er die Karten ansieht oder die Zeit zurückdreht, um einen Einsatz zu ändern.

Dies ist das Problem, das ODYSSEY für „Confidential Blockchains“ (vertrauliche Blockchains) löst.

Hier ist eine einfache Aufschlüsselung der Geschichte des Papers, unter Verwendung alltäglicher Analogien.

Das Problem: Das Glashaus und die Zeitmaschine

Das Paper beginnt mit der Erklärung, dass aktuelle „Confidential Blockchains“ (Blockchains, bei denen Daten verborgen sind) in speziellen, sicheren Computerchips namens TEEs (Trusted Execution Environments) aufgebaut sind. Betrachten Sie ein TEE als ein Glashaus.

1. Das Leck im Glashaus (Execution-Inference Attack):
   Auch wenn das Glashaus den Inhalt schützt, kann ein Spion außerhalb immer noch durch die Fenster spähen. Er kann die Karten nicht direkt sehen, aber er kann beobachten, wie die Spieler sich bewegen.

   • Die Analogie: Wenn ein Spieler plötzlich aufsteht und auf und ab geht, jedes Mal wenn er eine gute Hand bekommt, lernt der Spion die Strategie, ohne jemals die Karten gesehen zu haben. In dem Paper beobachten Hacker das „Auf und Ab-Gehen“ des Computers (Speichernutzung und CPU-Hitze), um zu erraten, welche geheimen Daten gerade verarbeitet werden.
   • Das Ergebnis: Das Spiel wird unfair, weil der Spion mehr weiß als die Spieler.

2. Das Leck der Zeitmaschine (Execution-Replay Attack):
   Das Glashaus hat keinen „Speichernotstand“-Button, der verhindert, dass man die Zeit zurückdreht.

   • Die Analogie: Ein Betrüger spielt eine Hand, sieht das Ergebnis, und wenn ihm das Ergebnis nicht gefällt, drückt er auf „Zurückspulen“, um zum Anfang der Runde zurückzukehren, einen anderen Zug zu versuchen und das Ergebnis erneut zu sehen. Er spult immer wieder zurück, bis er den perfekten Zug findet, der einen Sieg garantiert.
   • Das Ergebnis: Das Spiel ist manipuliert, weil der Betrüger jedes mögliche Ergebnis ausprobieren kann, bis er das findet, das ihm am besten dient.

Die Lösung: ODYSSEY

Die Autoren haben ein neues System namens ODYSSEY entwickelt, um diese zwei Lecks zu schließen. Sie haben nicht versucht, das Glashaus blickdicht zu machen (was schwierig und langsam wäre), sondern sie haben geändert, wer das Spiel spielt.

1. Die Strategie des „Vertrauenswürdigen Delegierten“ (Reparatur des Glashauses)

Anstatt dass jeder Spieler die Züge jedes anderen Spielers beobachtet, nutzt das System die Delegierte Ausführung (Delegated Execution).

• Die Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie haben einen vertrauenswürdigen Freund (einen „Delegierten“). Sie übergeben ihm Ihre Karten, und nur Ihr Freund sieht sie sich an und macht den Zug. Die anderen Spieler am Tisch sehen weder die Karten noch beobachten sie die Hände Ihres Freundes; sie sehen nur das Endergebnis (z. B. „Setze 100 $“).
• Wie es funktioniert: Sie wählen einen spezifischen Knoten (Computer), dem Sie vertrauen, um Ihre geheime Transaktion zu bearbeiten. Dieser Knoten führt die Arbeit innerhalb seines sicheren Chips aus. Die anderen Knoten warten einfach auf das Ergebnis. Da die anderen Knoten die geheimen Daten oder den Prozess niemals sehen, kann der „Spion“ nichts lernen, indem er den Prozess beobachtet.

2. Die „Erst-die-Reihenfolge-Regel“ (Reparatur der Zeitmaschine)

Um das Zurückspulen zu verhindern, nutzt ODYSSEY eine Order-Then-Execute-Architektur (Erst die Reihenfolge, dann die Ausführung).

• Die Analogie: In einem normalen Spiel könnten Sie einen Zug versuchen, sehen, was passiert, und dann entscheiden, ob Sie ihn beibehalten wollen. In ODYSSEY schreibt der Schiedsrichter die Reihenfolge der Züge zuerst auf und sperrt sie in einem Buch ein. Sobald die Reihenfolge gesperrt ist, müssen die Spieler die Züge exakt so ausführen, wie sie geschrieben stehen. Man kann die Reihenfolge nicht ändern oder einen anderen Zug versuchen.
• Wie es funktioniert: Das System vereinbart die Liste der Transaktionen, bevor jemand mit der Verarbeitung beginnt. Sobald die Liste gesperrt ist, kann niemand den Computer „zurückspulen“, um ein anderes Ergebnis zu erzielen. Das Ergebnis ist endgültig.

Die Geschwindigkeitshindernisse und wie ODYSSEY sie überspringt

Die Autoren geben zu, dass die Verwendung eines „Vertrauenswürdigen Delegierten“ ein neues Problem schafft: Verkehrsstaus. Wenn alle ihre Karten an einen einzigen Freund senden, wird dieser Freund überfordert, und das Spiel verlangsamt sich. Zudem: Was ist, wenn dieser Freund sich weigert zu spielen (ein „Denial of Delegation“-Angriff)?

ODYSSEY fügt zwei clevere Funktionen hinzu, um das Spiel schnell und am Laufen zu halten:

1. Standortbewusste gleichzeitige Ausführung (Der Verkehrspolizist):

   • Die Analogie: Anstatt dass eine Person die gesamte Arbeit erledigt, teilt das System das Kartendeck in kleinere Stapel auf. Es weist verschiedene Stapel verschiedenen vertrauenswürdigen Freunden zu, basierend darauf, wer am nächsten ist oder welche Karten sie benötigen. Es ist wie in einer Küche, in der der Koch nicht das gesamte Gemüse alleine schneidet; er weist die Zwiebeln einer Person und die Karotten einer anderen Person zu, stellt aber sicher, dass die Zwiebeln geschnitten sind, bevor die Suppe gemacht wird, falls das Rezept dies erfordert.
   • Das Ergebnis: Viele Dinge passieren gleichzeitig, ohne die Reihenfolge zu stören, was das System schnell hält.

2. Der Fehlerbehandler für die Delegation (Der Backup-Plan):

   • Die Analogie: Wenn Ihr vertrauenswürdiger Freund plötzlich einschläft oder sich weigert zu spielen, sollte das Spiel nicht für immer stoppen. ODYSSEY hat einen Timer. Wenn der Freund einen Zug nicht schnell genug macht, sagt das System automatisch: „Okay, wir überspringen diesen Zug vorerst und fahren mit dem nächsten fort“, damit das Spiel weiterläuft.
   • Das Ergebnis: Das System bleibt am Leben, selbst wenn einige Teilnehmer träge oder böswillig sind.

Die Ergebnisse: Hat es funktioniert?

Das Team hat einen funktionierenden Prototyp von ODYSSEY auf einer echten Blockchain-Plattform namens FISCO BCOS gebaut. Sie haben es in zwei Umgebungen getestet: einem schnellen lokalen Netzwerk (LAN) und einem langsameren Weitverkehrsnetz (WAN), wie dem Internet.

• Das Urteil: ODYSSEYS ist etwas langsamer als eine Standard-Blockchain ohne Geheimhaltung (da Sicherheit immer etwas Geschwindigkeit kostet), aber es ist sehr schnell für ein geheimes System.
• Die Zahlen: In einem Weitverkehrsnetz mit 3 Knoten konnte ODYSSEY etwa 4.000 Transaktionen pro Sekunde mit einer Verzögerung von nur 0,4 bis 0,5 Sekunden bewältigen.

Zusammenfassung

ODYSSEY ist eine neue Art, geheime Blockchains zu betreiben. Anstatt zu versuchen, das „Glashaus“ unsichtbar zu machen (was schwierig ist), begrenzt es die Anzahl derer, die hineinsehen dürfen, indem es vertrauenswürdige Delegierte einsetzt. Es sperrt zudem die Reihenfolge der Ereignisse, damit niemand die Zeit zurückdrehen kann, um zu schummeln. Es löst die Sicherheitslücken aktueller Systeme und hält gleichzeitig die Geschwindigkeit hoch genug für den realen Geschäftsbereich.