[논문 리뷰] HIDE & SEEK: Privacy-Preserving Rebalancing on Payment Channel Networks

Zeta Avarikioti, Krzysztof Pietrzak외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 17.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 4

한 줄 요약

HIDE & SEEK는 다자간 계산(MPC)을 통해 완전한 프라이버시를 유지하면서도 글로벌 최적의 리밸런싱을 달성하는 지ay-인 리밸런싱 프로토콜을 제안한다. 리밸런싱 문제를 최소비용 유량 문제로 공식화하고, 인센티브 호환성 있는 사이클로 해답을 분해함으로써, 민감한 채널 잔액 정보를 泄露하지 않고도 효율적이고 원자적인 실행을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Payment channels effectively move the transaction load off-chain thereby successfully addressing the inherent scalability problem most cryptocurrencies face. A major drawback of payment channels is the need to ``top up'' funds on-chain when a channel is depleted. Rebalancing was proposed to alleviate this issue, where parties with depleting channels move their funds along a cycle to replenish their channels off-chain. Protocols for rebalancing so far either introduce local solutions or compromise privacy. In this work, we present an opt-in rebalancing protocol that is both private and globally optimal, meaning our protocol maximizes the total amount of rebalanced funds. We study rebalancing from the framework of linear programming. To obtain full privacy guarantees, we leverage multi-party computation in solving the linear program, which is executed by selected participants to maintain efficiency. Finally, we efficiently decompose the rebalancing solution into incentive-compatible cycles which conserve user balances when executed atomically. Keywords: Payment Channel Networks, Privacy and Rebalancing.

연구 동기 및 목표

• 기존 리밸런싱 프로토콜의 확장성 및 프라이버시 한계, 특히 국소 사이클 탐색 및 중심화된 위임 모델의 비효율성과 프라이버시 누출 문제를 해결한다.
• 국소 리밸런싱에서 발생하는 '상쇄 효과'를 극복하기 위해 모든 네트워크 범위의 리밸런싱 요청을 동시에 고려하는 글로벌 최적 솔루션을 제공한다.
• 다자간 계산(MPC)을 사용해 최적 리밸런싱 솔루션을 계산함으로써 채널 잔액의 기밀성을 완전히 보장하며, 어느 한 당사자도 개인의 입력 및 출력 유량 이외의 정보를 알 수 없도록 한다.
• 최적의 흐름을 원자적인 사이클로 분해함으로써 리밸런싱의 안정적이고 견고한 실행을 보장하며, 사용자 잔액을 유지하고 독립적인 실행을 가능하게 한다.
• 참여자가 자발적으로 기여하는 옵트인 메커니즘을 제공함으로써 인센티브 호환성과 사용자 자율성을 확보한다.

제안 방법

• 리밸런싱 문제를 선형계획법(LP)으로 공식화하며, 총 리밸런싱 자금의 최대화를 목표로 하되, 흐름 보존 및 용량 제약 조건을 만족시킨다.
• 선택된 위임자들 간에 다자간 계산(MPC)을 사용해 최적 솔루션을 안전하게 계산함으로써, 참가자가 자신의 입력 및 출력 흐름 이외의 정보를 알 수 없도록 보장한다.
• 일般적인 LP 솔버보다 효율적인 최소비용 유량 알고리즘을 활용해 리밸런싱 문제를 더 빠르게 해결함으로써 성능을 향상시키면서도 최적성은 유지한다.
• 최적의 흐름을 원자적인 인센티브 호환 사이클로 분해함으로써, HTLC(해시 타임락 계약)를 사용해 원자적으로 실행할 수 있도록 하여, 일부 사이클 실패 시에도 부분적인 리밸런싱을 유지한다.
• 악성 조작을 방지하고 활성 공격 하에서 성공률을 높이기 위해 참가자가 간선 제약 조건의 유효성을 증명하기 위해 영지식 증명을 제출하는 메커니즘을 도입한다.
• 참가자가 네트워크에 대한 국소 지식만으로도 충분하므로, 전역 네트워크 구조 탐색의 확장성 및 프라이버시 문제를 피할 수 있도록 프로토콜를 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지불 채널 네트워크에서 사용자 프라이버시를 훼손하지 않고도 글로벌 최적성 달성을 가능한가?
• RQ2 다자간 계산(MPC)을 효과적으로 활용해 개인의 채널 잔액을 폭 드러내지 않고 최적 리밸런싱 솔루션을 계산할 수 있는가?
• RQ3 보안적인 실행을 위해 글로벌 흐름 솔루션을 원자적이고 인센티브 호환 사이클로 분해하는 가장 효율적인 방법은 무엇인가?
• RQ4 실패나 악성 행동에 대비해 프라이버시와 인센티브 호환성을 유지하면서 프로토콜를 견고하게 만들 수 있는가?
• RQ5 신뢰할 수 있는 제3자 없이도 실용적이고 옵트인 기반의 리밸런싱 프로토콜를 설계할 수 있으며, 효율적이고 확장 가능한 실행을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• HIDE & SEEK는 네트워크 전체의 리밸런싱 요청에서 유도된 최소비용 유량 문제를 해결함으로써 글로벌 최적 리밸런싱을 달성하며, '상쇄 효과'로 인해 성능이 떨어지는 국소 사이클 탐색 방법보다 뛰어나다.
• MPC를 사용해 최적 솔루션을 계산함으로써 완전한 프라이버시를 확보하며, 위임자가 유출되더라도 참가자가 자신의 입력 및 출력 흐름 이외의 정보를 알 수 없다.
• 최적의 흐름을 원자적인 사이클로 분해함으로써 HIDE & SEEK는 견고한 실행을 가능하게 하며, 개별 사이클이 독립적으로 성공할 수 있어 일부 사이클 실패 시에도 부분적인 리밸런싱이 유지된다.
• 일般적인 LP 솔버 대신 전용 최소비용 유량 알고리즘을 사용함으로써, 이전의 LP 기반 접근 방식(예: Revive)보다 더 효율적이다.
• 간선 제약 조건 유효성 검증을 위한 영지식 증명의 사용은 악성 환경 하에서 리밸런싱 성공률을 높이며, 시빌 공격 및 위조 데이터 공격에 대비한다.
• HIDE & SEEK는 이전 솔루션들이 터미언-완전한 트랜잭션 언어가 필요로 하였던 것과 달리 비트코인의 HTLC 기반 실행 모델과 호환되어 더 넓은 보급이 가능하다.