[论文解读] Betrayal, Distrust, and Rationality: Smart Counter-Collusion Contracts for Verifiable Cloud Computing

Changyu Dong, Yilei Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2017

Cryptography and Data Security参考文献 27被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于智能合约的框架，利用博弈论防止在可验证云计算中两个云服务提供商之间的串通行为。通过金融惩罚和奖励机制激励理性云服务提供商诚实行事，系统以最低成本通过结果交叉验证确保计算正确性，避免使用昂贵的密码学协议。

ABSTRACT

Cloud computing has become an irreversible trend. Together comes the pressing need for verifiability, to assure the client the correctness of computation outsourced to the cloud. Existing verifiable computation techniques all have a high overhead, thus if being deployed in the clouds, would render cloud computing more expensive than the on-premises counterpart. To achieve verifiability at a reasonable cost, we leverage game theory and propose a smart contract based solution. In a nutshell, a client lets two clouds compute the same task, and uses smart contracts to stimulate tension, betrayal and distrust between the clouds, so that rational clouds will not collude and cheat. In the absence of collusion, verification of correctness can be done easily by crosschecking the results from the two clouds. We provide a formal analysis of the games induced by the contracts, and prove that the contracts will be effective under certain reasonable assumptions. By resorting to game theory and smart contracts, we are able to avoid heavy cryptographic protocols. The client only needs to pay two clouds to compute in the clear, and a small transaction fee to use the smart contracts. We also conducted a feasibility study that involves implementing the contracts in Solidity and running them on the official Ethereum network.

研究动机与目标

• 解决现有可验证计算技术在云计算中的高成本问题。
• 在不依赖重型密码学协议的前提下，实现成本效益高的正确性验证。
• 通过经济激励和惩罚机制，防止两个云服务提供商之间的串通行为。
• 设计一种实用且可扩展的解决方案，在成本上与本地计算相当的同时维持客户端信任。
• 通过在以太坊区块链上使用 Solidity 实现和部署，证明该方案的可行性。

提出的方法

• 客户端将相同的计算任务外包给两个独立的云服务提供商。
• 使用智能合约在两个云服务提供商之间建立基于博弈论的激励结构。
• 若两个云服务提供商返回不同结果，则施加金融惩罚，以遏制串通行为。
• 诚实行为将获得奖励，而串通的云服务提供商则可能损失保证金。
• 当未发生串通时，系统依赖于结果的交叉验证来确保正确性。
• 智能合约使用 Solidity 编写，并在以太坊主网上部署，以实现真实环境下的验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于博弈论的方法是否能有效防止在可验证云计算中，两个理性云服务提供商之间的串通行为？
• RQ2 智能合约是否可用于构建经济激励机制，使诚实行为成为云服务提供商的主导策略？
• RQ3 是否可能在不增加密码学开销的前提下，以接近本地计算的成本实现可验证计算？
• RQ4 仅通过金融和合同机制，如何在互不信任的各方之间建立信任？
• RQ5 在以太坊等真实区块链环境中部署此类系统是否具有可行性？

主要发现

• 所提出的智能合约机制在合理假设下成功遏制了串通行为，使诚实行为成为纳什均衡。
• 验证成本降低至单个云计算成本的约两倍，避免了传统基于复制方法的三倍成本。
• 系统避免了传统可验证计算协议中常见的 10^3 至 10^9 倍的密码学开销。
• 智能合约已成功在以太坊主网上实现并部署，证明了其在现实环境中的可行性。
• 当经济激励防止串通时，系统通过结果交叉验证实现了强正确性保障。
• 该框架具有可扩展性，可进一步应用于其他领域，如电子投票或去中心化计算中的串通防范。