[论文解读] Enabling Cross-chain Transactions: A Decentralized Cryptocurrency Exchange Protocol

Hangyu Tian, Kaiping Xue+4 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 17被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于以太坊智能合约的去中心化跨加密货币交易所协议，实现无需依赖中心化交易所的无信任、安全加密货币交易。通过使用一组不可信的验证者组成的多方委员会，并将每位用户的所有交易合并处理，该方案实现了仅与用户数量成正比、且可预测的运行时成本，且不随每位用户的交易量增加而增长，已在以太坊测试网络上验证了其可行性。

ABSTRACT

Inspired by Bitcoin, many different kinds of cryptocurrencies based on blockchain technology have turned up on the market. Due to the special structure of the blockchain, it has been deemed impossible to directly trade between traditional currencies and cryptocurrencies or between different types of cryptocurrencies. Generally, trading between different currencies is conducted through a centralized third-party platform. However, it has the problem of a single point of failure, which is vulnerable to attacks and thus affects the security of the transactions. In this paper, we propose a distributed cryptocurrency trading scheme to solve the problem of centralized exchanges, which can achieve trading between different types of cryptocurrencies. Our scheme is implemented with smart contracts on the Ethereum blockchain and deployed on the Ethereum test network. We not only implement transactions between individual users, but also allow transactions between multiple users. The experimental result proves that the cost of our scheme is acceptable.

研究动机与目标

• 解决中心化加密货币交易所固有的单点故障和安全风险。
• 在无需依赖可信第三方的情况下，实现不同加密货币之间的无信任、去中心化交易。
• 设计一种基于智能合约的系统，高效支持单用户及多用户交易。
• 确保在真实环境条件下，交易验证过程安全、私密且可扩展。
• 在以太坊测试网络上评估该协议的性能与成本。

提出的方法

• 该协议使用以太坊智能合约，通过以太币作为不同加密货币之间的流动性桥梁，管理跨链交易。
• 组建一个由不可信验证者组成的委员会，以验证交易，确保正确性，且无需信任任一参与方。
• 将同一用户发起的多笔交易合并为单个合约调用，以减少开销并提高吞吐量。
• 系统采用两阶段协议：准备阶段（收集交易数据）和验证阶段（基于委员会的验证），以确保正确性与安全性。
• 在以太坊测试网络上实现并部署该方案，以评估真实环境下的性能与Gas成本。
• 通过合约执行时间与Gas成本衡量性能，收集不同用户数与交易量下的各项指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在以太坊智能合约上构建一个去中心化交易所协议，从而完全消除对中心化中介的依赖？
• RQ2 在多方参与的跨加密货币交易所中，交易验证成本如何随用户数与交易量的变化而变化？
• RQ3 一组不可信的验证者能否在不损害安全或隐私的前提下，可靠地验证跨加密货币交易？
• RQ4 在真实负载条件下，此类协议的实际运行时与Gas成本是多少？
• RQ5 与单独处理每笔交易相比，交易合并是否能显著降低系统开销？

主要发现

• 由于交易合并，合约执行时间仅与参与交易的用户数量成正比，而与每位用户的交易笔数无关。
• 即使有100名委员会成员，验证阶段耗时也少于1秒，与区块链确认时间相比可忽略不计。
• 准备阶段的运行时随每位付款人对应的收款人数增加而增长，但由于独立节点的并行执行，整体仍保持高效。
• 验证阶段的时间成本不受单个付款人与收款人之间交易数量的影响，因为这些交易已被合并为单一操作。
• 该方案保持了高吞吐量与低开销，性能与每位用户的交易量无关，证实了其可扩展性。
• 在以太坊测试网络上的实现表明，运行成本可接受，适合实际生产环境部署。