[论文解读] AMR:Autonomous Coin Mixer with Privacy Preserving Reward Distribution

Duc V. Le, Arthur Gervais|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 33被引用 5

一句话总结

AMR 在以太坊上提出了首个抗审查、自治的币混币协议，通过与 DeFi 借贷协议集成，实现隐私保护的奖励分发和存款资金的利息收益。它使用 zk-SNARKs 确保不可链接性，支持超过 1,000 名用户的匿名集合，系统成本恒定，并实现实际性能，存款 gas 成本为 1.2M，取款为 0.3M。

ABSTRACT

It is well known that users on open blockchains are tracked by an industry providing services to governments, law enforcement, secret services, and alike. While most blockchains do not protect their users' privacy and allow external observers to link transactions and addresses, a growing research interest attempts to design add-on privacy solutions to help users regain their privacy on non-private blockchains. In this work, we propose to our knowledge the first censorship resilient mixer, which can reward its users in a privacy-preserving manner for participating in the system. Increasing the anonymity set size, and diversity of users, is, as we believe, an important endeavor to raise a mixer's contributed privacy in practice. The paid-out rewards can take the form of governance tokens to decentralize the voting on system parameters, similar to how popular "DeFi farming" protocols operate. Moreover, by leveraging existing "Defi" lending platforms, AMR is the first mixer design that allows participating clients to earn financial interests on their deposited funds. Our system AMR is autonomous as it does not rely on any external server or third party. The evaluation of our AMR implementation shows that the system supports today on Ethereum anonymity set sizes beyond thousands of users, and a capacity of over $66,000$ deposits per day, at constant system costs. We provide a formal specification of our zksnark-based AMR system, a privacy and security analysis, implementation, and evaluation with both the MiMC and Poseidon hash functions.

研究动机与目标

• 解决现有币混币协议中激励不足的问题，以鼓励用户长期参与并扩大匿名集合规模。
• 设计一种去中心化、抗审查的混币协议，不依赖第三方服务器或中心化实体。
• 为在混币中保持资金时间超过最低期限的用户提供隐私保护的奖励分发机制。
• 通过与现有 DeFi 借贷平台集成，使用户在资金存放在混币中时也能获得金融利息。
• 在匿名集合规模扩大时，仍能保持恒定的系统成本，实现强隐私保护。

提出的方法

• AMR 使用 zk-SNARKs 对密码学证明，确保用户的取款与存款之间不可链接，从而保障交易不可链接性。
• 系统采用深度 d=30 的默克尔树表示匿名集合，支持高效的成员证明和恒定的验证成本。
• 通过零知识证明实现隐私保护的奖励机制，向持有资金时间 t 的用户发放治理代币，而无需暴露身份。
• AMR 与 Aave 和 Compound 等现有 DeFi 协议集成，为存入的资金生成收益，使用户在混币期间也能获得利息。
• 系统完全自治，作为智能合约部署在以太坊上，所有逻辑和状态均由链上管理。
• 实现中使用 MiMC 和 Poseidon 哈希函数以最小化电路约束，从而减少证明生成时间与 gas 成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种去中心化的币混币协议，在提供强隐私保护的同时，通过隐私奖励机制激励用户长期参与？
• RQ2 如何在不损害不可链接性的前提下，为隐私保护的混币协议中的存款资金生成金融收益？
• RQ3 基于 zk-SNARKs 的混币协议能否将匿名集合规模扩展至数千名用户，同时保持恒定的系统成本？
• RQ4 将混币协议与现有 DeFi 协议集成，以在无外部信任的前提下为用户生成被动收入是否可行？
• RQ5 AMR 在 gas 成本、证明生成时间与匿名集合规模方面，与现有隐私解决方案相比表现如何？

主要发现

• AMR 支持超过 1,000 名用户的匿名集合规模，且系统成本恒定，显著优于基于环签名的系统（如 Mobius），后者因成本线性增长而受限于 24 名用户。
• 系统在以太坊上可支持每日超过 66,000 笔存款（假设无取款），展现出高吞吐量和实际可扩展性。
• AMR 的存款 gas 成本为 1.2 百万（按 70 Gwei 的 gas 价格，约合 31.95 美元），取款为 0.3 百万（约 9.12 美元），领取奖励为 1.5 百万（约 41.07 美元），所有成本均基于 70 Gwei 的 gas 价格。
• 在通用硬件上，证明生成耗时 3.607 秒，对 zk-SNARKs 系统而言效率较高，支持实际部署。
• 使用 Poseidon 和 MiMC 哈希函数后，电路约束分别减少至 243 和 1,323，使 AMR 的 zk-SNARK 电路显著小于 Zeth（59,281 个约束），从而实现更快的证明生成速度。
• AMR 的验证成本约为 200 万 gas，比 Zeth 低 5 倍，且系统避免存储加密笔记，降低了链上存储开销。