[論文レビュー] Towards Fairness of Cryptocurrency Payments

Jian Liu, Wenting Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、スマートコントラクトと検証可能暗号化を活用することで、強力なタイムリネスとフェアネスを保証する、暗号通貨決済のための2つのブロックチェーンベースのフェアエクスチェンジプロトコルを提案する。オプティミスティックフェアエクスチェンジ（OFE）を用いたプロトコルは、署名ベースの代替手法と比較して14倍速く（277ms 対 3.8s）完了するため、リソース制約のある環境においても効率的でありながら、強力なフェアネスと非侵襲性を維持できる。

ABSTRACT

Motivated by the great success and adoption of Bitcoin, a number of cryptocurrencies such as Litecoin, Dogecoin, and Ethereum are becoming increasingly popular. Although existing blockchain-based cryptocurrency schemes can ensure reasonable security for transactions, they do not consider any notion of fairness. Fair exchange allows two players to exchange digital "items", such as digital signatures, over insecure networks fairly, so that either each player gets the other's item, or neither player does. Given that blockchain participants typically do not trust each other, enabling fairness in existing cryptocurrencies is an essential but insufficiently explored problem. In this paper, we explore the solution space for enabling the fair exchange of a cryptocurrency payment for a receipt. We identify the timeliness of an exchange as an important property especially when one of the parties involved in the exchange is resource-constrained. We introduce the notion of strong timeliness for a fair exchange protocol and propose two fair payment-for-receipt protocol instantiations that leverage functionality of the blockchain to achieve strong timeliness. We implement both and compare their security and efficiency.

研究の動機と目的

• 既存の暗号通貨システムにおけるフェアネスの欠如、すなわち支払いと受領書の交換において片方が補償を受けられない状況を是正すること。
• 強力なタイムリネスの概念を導入し、特にリソース制約のあるデバイスにとって重要な、交換が予測可能で短時間で完了することを保証すること。
• フェアネスと強力なタイムリネスを保証するブロックチェーン機能を活用した、2つの支払い対受領書のフェアプロトコルの設計と実装。
• 提案されたプロトコルの性能、効率性、コストを、先行研究、特にHeilmanらの手法と比較して評価すること。
• ブロックチェーンベースのフェアエクスチェンジにおけるフェアネス、タイムリネス、非侵襲性、TTP依存性の間のトレードオフを調査すること。

提案手法

• 本稿では、交換が予測可能で短時間の時間窓内に完了することを要件とする、強力なタイムリネスの新しい概念を導入する。特に、IoTやリソース制約のあるデバイスにとって重要である。
• 2つのプロトコルを提案する：1つは検証可能暗号化を用いたオプティミスティックフェアエクスチェンジ（OFE）に基づくもの、もう1つはブロックチェーンベースのデジタル署名を用いて受領書の検証を行うもの。
• 両プロトコルとも、フェアネスを強制するためにイーサリアム上のスマートコントラクトを用いる。TTP（信頼できる第三者）は、紛争が発生した場合にのみ関与する。
• OFEベースのプロトコルは、受領書の内容を露呈せずにTTPが紛争を解決できるように、検証可能暗号化を用いる。これによりプライバシーが強化される。
• パフォーマンス評価は、ブロック時間が5秒に調整されたプライベートイーサリアムネットワーク上で実施され、各プロトコルフェーズの実行時間とトランザクションコストを測定した。
• フェアネス、タイムリネス、コスト、非侵襲性の観点から、固定タイムアウト方式とHeilmanらのプロトコルとを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンベースのプロトコルは、特にリソース制約下でも、暗号通貨決済のフェアエクスチェンジにおいて強力なタイムリネスを達成できるか？
• RQ2 ブロックチェーンベースのフェアエクスチェンジプロトコルのパフォーマンスとコストは、先行手法と比較してどうなるか。特に、オプティミスティック実行とアボートシナリオの両方において。
• RQ3 暗号通貨決済プロトコルにおけるフェアネス、タイムリネス、非侵襲性、信頼できる第三者（TTP）への依存性の間には、どのようなトレードオフが存在するか？
• RQ4 検証可能暗号化は、スマートコントラクト上でプライバシーを保ちながらフェアネスと強力なタイムリネスを確保するために効果的に利用できるか？
• RQ5 実世界の展開環境において、ブロックチェーンベースのOFEプロトコルは署名ベースのプロトコルよりも効率的か？

主な発見

• ブロックチェーンベースのOFEプロトコルは、平均して277.0 ± 9.2ミリ秒で完了し、署名ベースのプロトコル（3,831.0 ± 973.2ミリ秒）と比較して約14倍速い。
• OFEベースのプロトコルは強力なフェアネスと強力なタイムリネスを達成しているが、固定タイムアウト方式は弱いフェアネスと弱いタイムリネスにとどまる。
• アボートシナリオでは、両プロトコルとも類似した時間的・コスト的オーバーヘッドを示し、OFEプロトコルは3,432.4 ± 1,000.3 ms、署名ベースのプロトコルは4,301.5 ± 1,305.6 msを要した。
• オプティミスティック実行において、OFEベースのプロトコルは署名ベースのプロトコルよりもコストおよび時間的効率が高く、低遅延かつ高効率を要するシナリオに最適である。
• 強力なフェアネスとプライバシー保護を優先する場合、ブロックチェーンベースの署名に依存するプロトコルが適しているが、これは高い遅延を伴う。
• 本研究では、非侵襲性はOFEベースのプロトコルでのみ達成可能であり、署名ベースのプロトコルはブロックチェーンの改変を要するため、侵襲的であることが確認された。