[論文レビュー] Towards a Two-Tier Hierarchical Infrastructure: An Offline Payment System for Central Bank Digital Currencies

Mihai Christodorescu, Wanyun Catherine Gu+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、公開鍵暗号と信頼実行環境（TEEs）に基づく二段階の階層的信頼インフラを用いて、中央銀行デジタル通貨（CBDC）のオフライン決済システム（OPS）を提案する。このプロトコルにより、インターネット接続なしで安全かつリアルタイムにポイント・ツー・ポイントのデジタルキャッシュ取引が可能となり、TEEsで保護されたデジタル署名と暗号的検証プロトコルによって二重支出が防止され、ほぼ無限のスループットと低遅延を達成する。

ABSTRACT

Digital payments traditionally rely on online communications with several intermediaries such as banks, payment networks, and payment processors in order to authorize and process payment transactions. While these communication networks are designed to be highly available with continuous uptime, there may be times when an end-user experiences little or no access to network connectivity. The growing interest in digital forms of payments has led central banks around the world to explore the possibility of issuing a new type of central-bank money, known as central bank digital currency (CBDC). To facilitate the secure issuance and transfer of CBDC, we envision a CBDC design under a two-tier hierarchical trust infrastructure, which is implemented using public-key cryptography with the central bank as the root certificate authority for generating digital signatures, and other financial institutions as intermediate certificate authorities. One important design feature for CBDC that can be developed under this hierarchical trust infrastructure is an offline capability to create secure point-to-point offline payments through the use of authorized hardware. An offline capability for CBDC as digital cash can create a resilient payment system for consumers and businesses to transact in any situation. We propose an offline payment system (OPS) protocol for CBDC that allows a user to make digital payments to another user while both users are temporarily offline and unable to connect to payment intermediaries (or even the Internet). OPS can be used to instantly complete a transaction involving any form of digital currency over a point-to-point channel without communicating with any payment intermediary, achieving virtually unbounded throughput and real-time transaction latency.

研究の動機と目的

• インターネット接続なしで動作する、中央銀行デジタル通貨（CBDC）の安全でスケーラブルなオフライン決済メカニズムを設計すること。
• 信頼実行環境（TEEs）を主たる信頼の根拠として用いることで、オフライン取引における二重支出の課題を解決すること。
• 中央銀行をルートCAとし、金融機関を中間CAとして指定する二段階の信頼階層を用いて、ユーザー間のポイント・ツー・ポイントのデジタルキャッシュ送金を可能にすること。
• オンラインの中間者なしでも、デジタル署名と証明書の暗号的検証により取引の真正性と整合性を保証すること。
• TEEs対応クライアントと非対応クライアントの両方をサポートするための別々のプロトコル（収受用の「collect」と非対応クライアント用の「claim」）を導入し、リプレイ攻撃や二重支出を防止すること。

提案手法

• 中央銀行がルート証明書機関（CA）として機能し、規制を受けた金融機関がウォレットプロバイダーにデジタル証明書を発行する二段階の階層的信頼モデルを採用する。
• オフライン決済は、信頼実行環境（TEEs）によって生成されたデジタル署名により保護され、オフライン取引における主たる信頼の源泉として機能する。
• オフライン決済プロトコル（OPS）により、二つのTEEs搭載デバイス間でリクエスト・レスポンスのやり取りを介して直接的なピアツーピア送金が可能となり、送信者の身元と取引真正性の暗号的検証が行われる。
• 支払いの検証は複数ステップのチェックで実施される：(1) TEE証明書の検証、(2) 送信者の公開鍵を用いた署名検証、(3) ローカル支払いログとの照合によるリプレイ攻撃防止。
• 別個の「Claim」プロトコルにより、非TEEsクライアントは支払いを中央サーバー（S）に提出し、支払いログを用いて真正性と新鮮性を検証することで安全にオフライン支払いを受領できる。
• システムは排他的な処理を実現：支払い確認は「収受」（TEEs）または「請求」（非TEEsクライアント）のいずれか一方のみで処理され、両方で処理されないため、悪意ある資金の二重使用を防止する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 継続的なネットワーク接続や信頼できる中間者に依存せずに、CBDC用の安全でオフラインのデジタルキャッシュシステムをどのように設計できるか？
• RQ2 取引実行中に中央当局が利用できないオフライン決済環境において、二重支出を防ぐためにどのような暗号的および信頼メカニズムを用いることができるか？
• RQ3 二段階の階層的信頼インフラをどのように効果的にCBDCに適用し、信頼性を維持しながらスケーラビリティと規制適合性を確保できるか？
• RQ4 信頼実行環境（TEEs）は、安全なオフライン決済を実現するために果たす役割は何か？また、TEEsを広範なCBDCエコシステムにどのように統合できるか？
• RQ5 システムはどのようにして、オフライン支払いが真正かつ一意的（idempotent）であることを保証し、リプレイ攻撃や二重支出攻撃を防止できるか？

主な発見

• 提案されたOPSプロトコルにより、ネットワーク接続された中間者に依存せず、ローカルで処理されるため、ほぼ無限のスループットを実現するリアルタイムでポイント・ツー・ポイントのオフライン決済が可能となる。
• TEEsによって生成されたデジタル署名と、証明書および署名の暗号的検証により、二重支出が防止され、真正性と整合性が保証される。
• クライアントおよびTEEsにローカル支払いログを維持することで、強力なセキュリティ保証が達成され、新鮮性のチェックによりリプレイ攻撃が防止される。
• 「収受」（TEEs用）と「請求」（非TEEsクライアント用）の分離により、各支払い確認が正確に一度だけ処理されることが保証され、重複のリスクが排除される。
• 階層的信頼モデルにより、中央銀行は規制を受けた金融機関に信頼を委任でき、スケーラブルかつコンプライアンスに配慮したCBDCの展開が可能になる。
• ネットワーク障害に強く、ユーザーがオフラインであっても取引の最終性を維持できるため、緊急時や低接続環境に適した設計である。