[論文レビュー] LocalCoin: An Ad-hoc Payment Scheme for Areas with High Connectivity

Dimitris Chatzopoulos, Sujit Gujar+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

LocalCoinは、高密度環境におけるモバイルデバイス向けに、計算負荷の高いBitcoinのプルーフ・オブ・ワークを、近隣ユーザー間の協働的取引検証に基づく社会的硬さ（social-hardness）モデルに置き換える、軽量でアドホックな暗号通貨を提案する。分散ブロックチェーンと近接性に基づく合意形成により、インターネット接続や高機能ハードウェアが不要な安全で低コストの取引を実現し、二重支出の確率をほぼゼロに抑える。

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.

研究の動機と目的

• インターネット接続や高計算能力を必要とせず、市販のモバイルデバイスで動作する暗号通貨の設計を目的とする。
• 既存の暗号通貨がモバイル環境や一時的な接続切断環境において抱える制限を解決することを目的とする。
• Bitcoinの計算的プルーフ・オブ・ワークを、ユーザーの近接性と協力に基づく社会的硬さモデルに置き換えること。
• 分散ブロックチェーンと近接性に基づく検証を通じて、二重支出に対する耐性を確保すること。
• 実世界の移動トレースとネットワークシミュレーションを用いて、プロトコルの実現可能性とセキュリティを評価すること。

提案手法

• BitcoinのSHA-256ハッシュ化と比較して計算負荷を低減する軽量プルーフ・オブ・ワーク方式を採用する。
• 近隣のモバイルユーザーが距離と接続性に基づいてブロックを生成・検証する分散ブロックチェーンを採用する。
• 取引検証は社会的硬さモデルに基づく：二重支出が可能になるのは、取引の証人全員が共謀している場合に限る。
• ブロック生成は、検証者の平均距離が閾値$aVd$未満であることを条件とするため、信頼の空間的分散が保証される。
• WiFi-Directや同様のアドホックネットワーキング技術を活用して、モバイルユーザー間でのメッセージ交換により取引およびブロック情報の伝達を実現する。
• 固定ネットワーク（例：キャンパスのアクセスポイント）を統合することで、メッセージ配信と位置推定の向上が可能だが、コアメカニズムに変更は加えない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インターネット接続や高計算リソースを必要としない暗号通貨を設計できるか？
• RQ2 低信頼性で一時的な接続が可能なモバイル・アドホックネットワーク環境で、二重支出をどのように防止できるか？
• RQ3 ユーザー密度と近接性が、分散決済システムのセキュリティと取引成功確率に与える影響は何か？
• RQ4 リソース効率性と耐性の観点から、社会的硬さモデルは計算的硬さモデルと比べてどの程度優れているか？
• RQ5 現実の都市的移動シナリオにおいて、二重支出確率をほぼゼロに保つために必要なチューニングパラメータは何か？

主な発見

• 十分なユーザー密度と適切にチューニングされたパラメータ下では、二重支出攻撃の成功確率はゼロに収束する。
• 密集した都市環境およびランダムジオメトリックネットワーク環境において、個々の取引の成功率は1に収束する。
• 実際の移動トレースを用いた広範なシミュレーションにより、LocalCoinが高い取引信頼性と強固な二重支出耐性を維持することが確認された。
• プロトコルはBitcoinと同等のセキュリティ保証を達成しているが、計算およびデータのオーバーヘッドを大幅に削減している。
• 1キロバイトの取引における電力消費量は、送信で0.00048ジュール、受信で0.0004ジュールと推定され、低エネルギー消費を示している。
• 固定インfraストラクチャ（例：アクセスポイント）との統合により、メッセージ配信と位置推定が向上するが、分散性は損なわれない。