[논문 리뷰] LocalCoin: An Ad-hoc Payment Scheme for Areas with High Connectivity

Dimitris Chatzopoulos, Sujit Gujar외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 27.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 5인용 수 7

한 줄 요약

LocalCoin는 고밀도 환경에서 모바일 기기용 경량 광범위한 암호화폐를 제안하며, 비트코인의 계산 비용이 큰 작업 증명을 근거로 하는 사회적 강도 모델로 대체한다. 근처 사용자 간의 협업 거래 검증을 기반으로 하며, 분산 블록체인과 근접성 기반 합의를 통해 이중 지출 가능성을 거의 제로로 낮춘다. 이로써 인터넷이나 고성능 하드웨어 없이도 안전하고 저비용의 거래를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The popularity of digital currencies, especially cryptocurrencies, has been continuously growing since the appearance of Bitcoin. Bitcoin's security lies in a proof-of-work scheme, which requires high computational resources at the miners. Despite advances in mobile technology, existing cryptocurrencies cannot be maintained by mobile devices due to their low processing capabilities. Mobile devices can only accommodate mobile applications (wallets) that allow users to exchange credits of cryptocurrencies. In this work, we propose LocalCoin, an alternative cryptocurrency that requires minimal computational resources, produces low data traffic and works with off-the-shelf mobile devices. LocalCoin replaces the computational hardness that is at the root of Bitcoin's security with the social hardness of ensuring that all witnesses to a transaction are colluders. Localcoin features (i) a lightweight proof-of-work scheme and (ii) a distributed blockchain. We analyze LocalCoin for double spending for passive and active attacks and prove that under the assumption of sufficient number of users and properly selected tuning parameters the probability of double spending is close to zero. Extensive simulations on real mobility traces, realistic urban settings, and random geometric graphs show that the probability of success of one transaction converges to 1 and the probability of the success of a double spending attempt converges to 0.

연구 동기 및 목표

• 인터넷이나 고성능 컴퓨팅 능력이 없이도 작동할 수 있는 암호화폐를 설계하는 것.
• 기존 암호화폐가 모바일 및 간헐적인 연결 환경에서 겪는 한계를 해결하는 것.
• 비트코인의 계산 기반 작업 증명을 사용자 간의 근접성과 협업 기반의 사회적 강도 모델로 대체하는 것.
• 분산 블록체인과 근접성 기반 검증을 통해 이중 지출에 대한 저항력을 확보하는 것.
• 실제 이동성 트레이스와 네트워크 시뮬레이션을 활용해 프로토콜의 타당성과 보안성을 평가하는 것.

제안 방법

• LocalCoin는 비트코인의 SHA-256 해싱에 비해 계산 오버헤드를 줄인 경량 작업 증명 기반의 방식을 사용한다.
• 근처의 모바일 사용자들이 근접성과 연결성에 따라 블록을 생성하고 검증하는 분산 블록체인을 활용한다.
• 거래 검증은 사회적 강도 모델에 기반한다: 이중 지출은 거래의 모든 증인들이 공모하는 경우에만 가능하다.
• 블록 생성은 평균 거리가 임계값 $aVd$ 이하일 경우에만 허용되며, 이는 신뢰의 공간적 분포를 보장한다.
• 모바일 사용자 간의 메시지 교환을 통해 거래 및 블록 정보를 확산시키며, WiFi-Direct 및 유사한 광범위한 네트워킹 기술을 활용한다.
• 고정된 네트워크(예: 캠퍼스 액세스 포인트)를 통합해 메시지 전달과 위치 추정을 향상시키되, 핵심 메커니즘은 변경하지 않는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인터넷 연결이나 높은 계산 자원이 없는 환경에서도 기능할 수 있는 암호화폐를 설계할 수 있는가?
• RQ2 낮은 신뢰도와 간헐적인 연결성으로 인해 발생하는 모바일 광범위 네트워크 환경에서 이중 지출을 어떻게 방지할 수 있는가?
• RQ3 사용자 밀도와 근접성이 탈중앙화된 결제 시스템의 보안성과 거래 성공률에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 사회적 강도 모델은 자원 효율성과 내구성 측면에서 계산 기반 강도와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 실제 도시 이동성 시나리오에서 이중 지출 가능성을 거의 제로로 유지하기 위해 필요한 튜닝 파라미터는 무엇인가?

주요 결과

• 충분한 사용자 밀도와 적절하게 튜닝된 파라미터 조건 하에서 성공적인 이중 지출 공격 확률은 0으로 수렴한다.
• 밀도가 높은 도시 및 무작위 기하 네트워크 환경에서 개별 거래의 성공률은 1로 수렴한다.
• 실제 이동성 트레이스를 기반으로 한 광범위한 시뮬레이션을 통해 LocalCoin가 높은 거래 신뢰성과 강력한 이중 지출 저항력을 유지하는 것으로 확인되었다.
• 프로토콜는 비트코인 수준의 보안 보장을 달성하지만 계산 및 데이터 오버헤드를 크게 줄였다.
• 1킬로바이트 거래의 전송에 소비되는 에너지는 0.00048 줄, 수신에 소비되는 에너지는 0.0004 줄로 추정되어 낮은 에너지 비용을 나타낸다.
• 고정 인프라(예: 액세스 포인트) 통합은 메시지 전달과 위치 추정을 향상시키지만 탈중앙화를 훼손하지 않는다.