[논문 리뷰] Towards Fairness of Cryptocurrency Payments

Jian Liu, Wenting Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 23.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 8인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스마트 계약과 검증 가능한 암호화를 활용하여 강력한 시간 제약성과 공정성을 보장하는 암호화폐 지불을 위한 블록체인 기반의 두 가지 공정 거래 프로토콜을 제안한다. 옵티미스틱 공정 거래(OFE)를 사용하는 프로토콜는 서명 기반 대안 대비 14배 빠른 완료(277ms 대비 3.8s)를 달성하여 자원 제약 환경에서도 더 효율적이며, 강력한 공정성과 비침습성을 유지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 암호화폐 시스템에서 지급 대 대응 수령 거래에서 한쪽 당사자가 보상을 받지 못할 수 있는 공정성 부족 문제를 해결하기 위해.
• 자원 제약이 있는 장치에서 특히 중요한, 예측 가능하고 짧은 시간 창 내에 거래가 완료되어야 하는 강력한 시간 제약성의 개념을 도입하기 위해.
• 공정성과 강력한 시간 제약성을 보장하는 블록체인 기능을 활용한 두 가지 공정 지급-수령 프로토콜을 설계하고 구현하기 위해.
• 제안된 프로토콜의 성능, 효율성, 비용을 이전 작업, 특히 Heilman 등이 제안한 방법과 비교 평가하기 위해.
• 블록체인 기반 공정 거래에서 공정성, 시간 제약성, 비침습성, TTP(신뢰할 수 있는 제3자) 의존성 간의 상호 상충 관계를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 논문은 강력한 시간 제약성의 새로운 개념을 도입하여, 특히 IoT 및 자원 제약이 있는 장치에서 매우 중요할 수 있는, 예측 가능하고 짧은 시간 창 내에 거래가 완료되어야 한다는 조건을 요구한다.
• 두 가지 프로토콜이 제안되며, 하나는 검증 가능한 암호화를 사용하는 옵티미스틱 공정 거래(OFE) 기반이고, 다른 하나는 수령 확인을 위한 블록체인 기반 디지털 서명 기반이다.
• 모든 프로토콜은 이더리움 상의 스마트 계약을 사용하여 공정성을 보장하며, TTP(신뢰할 수 있는 제3자)는 분쟁 발생 시에만 활성화된다.
• OFE 기반 프로토콜은 TTP가 수령 내용을 폭 lộ하지 않고도 분쟁를 해결할 수 있도록 검증 가능한 암호화를 사용하여 프라이버시를 향상시킨다.
• 성능 평가는 블록 시간을 5초로 조정한 프라이빗 이더리움 네트워크에서 수행되었으며, 각 프로토콜 단계의 실행 시간과 거래 비용을 측정하였다.
• 공정성, 시간 제약성, 비용, 비침습성 측면에서 고정 타임아웃 기반 시스템과 Heilman 등의 프로토콜과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인 기반 프로토콜은 자원 제약 조건 하에서도 암호화폐 지불의 공정 거래에서 강력한 시간 제약성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 옵티미스틱 실행과 취소 시나리오에서, 블록체인 기반 공정 거래 프로토콜의 성능과 비용은 이전 접근 방식과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 암호화폐 지급 프로토콜에서 공정성, 시간 제약성, 비침습성, 신뢰할 수 있는 제3자(TTP) 의존성 간의 상호 상충 관계는 무엇인가?
• RQ4 검증 가능한 암호화는 스마트 계약에서 프라이버시를 유지하면서도 공정성과 강력한 시간 제약성을 보장하는 데 효과적으로 사용될 수 있는가?
• RQ5 실제 구현 환경에서, 서명 기반 프로토콜에 비해 블록체인 기반 OFE 프로토콜이 더 효율적인가?

주요 결과

• 블록체인 기반 OFE 프로토콜은 평균 277.0 ± 9.2 밀리초 내에 완료되며, 이는 서명 기반 프로토콜(3,831.0 ± 973.2 밀리초)보다 약 14배 빠른 것이다.
• OFE 기반 프로토콜은 강력한 공정성과 강력한 시간 제약성을 달성하지만, 고정 타임아웃 기반 시스템은 약한 공정성과 약한 시간 제약성만 제공한다.
• 취소 시나리오에서는 두 프로토콜이 유사한 시간과 비용 오버헤드를 경험하며, OFE 프로토콜은 3,432.4 ± 1,000.3 ms, 서명 기반 프로토콜은 4,301.5 ± 1,305.6 ms를 소요한다.
• 옵티미스틱 실행에서 OFE 기반 프로토콜은 서명 기반 프로토콜보다 비용과 시간 측면에서 더 효율적이며, 저지연과 고효율이 요구되는 시나리오에 이상적이다.
• 강력한 공정성과 프라이버시 보존이 우선시되는 경우, 블록체인 기반 서명 기반 프로토콜이 더 적합하며, 이는 더 높은 지연을 감수할 수 있다.
• 이 연구는 비침습성이 오직 OFE 기반 프로토콜에서만 달성 가능하며, 서명 기반 프로토콜은 블록체인을 수정해야 하므로 침습적임을 확인한다.