[论文解读] HIDE & SEEK: Privacy-Preserving Rebalancing on Payment Channel Networks

Zeta Avarikioti, Krzysztof Pietrzak+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2021

Blockchain Technology Applications and Security被引用 4

一句话总结

HIDE & SEEK 提出了一种用于支付通道网络的新型可选式再平衡协议，通过多方计算（MPC）实现全局最优再平衡，同时完全保护隐私。通过将再平衡问题建模为最小费用流问题，并将解分解为激励相容的环路，该协议实现了高效、原子化的执行，且不会泄露敏感的通道余额信息。

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.

研究动机与目标

• 解决现有支付通道网络（PCNs）再平衡协议在可扩展性和隐私方面的局限性，特别是本地环路查找和集中式代理模型的低效性与隐私泄露问题。
• 通过同时考虑全网范围内的所有再平衡请求，实现全局最优解，克服本地再平衡中的‘相互抵消’效应。
• 通过多方计算（MPC）确保通道余额的完全隐私，计算最优再平衡方案时，任何单一参与方均无法获取超出自身输入与输出流量的信息。
• 通过将最优流分解为原子环路，实现再平衡的安全且鲁棒的执行，确保用户余额不受影响，并支持独立执行。
• 提供一种可选机制，仅由自愿参与者贡献于再平衡过程，确保激励相容性与用户自主权。

提出的方法

• 将再平衡问题建模为线性规划（LP），目标是最大化再平衡资金总额，受流量守恒和容量约束的限制。
• 使用多方计算（MPC）在选定的代理之间安全计算最优解，确保任何参与方仅知晓自身的输入与输出流量，不会暴露其他信息。
• 利用最小费用流算法比通用 LP 求解器更高效地求解再平衡问题，提升性能的同时保持最优性。
• 将最优流分解为一组激励相容的环路，可使用 HTLC（哈希时间锁合约）原子化执行，确保鲁棒性，并在部分环路失败时仍能实现部分成功。
• 引入机制，使参与者可提交零知识证明以验证边约束的有效性，防范恶意操纵，并在主动攻击下提升成功率。
• 设计协议时仅需参与者具备网络的局部知识，避免全局拓扑发现带来的可扩展性与隐私问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 再平衡协议能否在不损害用户隐私的前提下，实现在支付通道网络中的全局最优？
• RQ2 多方计算如何被有效用于计算最优再平衡方案，而无需暴露各条通道的余额？
• RQ3 将全局流解分解为原子化、激励相容的环路以实现安全执行的最高效方式是什么？
• RQ4 如何在保持隐私与激励相容性的同时，使协议对失败和恶意行为具有鲁棒性？
• RQ5 能否设计一种实用的、可选的再平衡协议，避免依赖可信第三方，并支持高效、可扩展的执行？

主要发现

• HIDE & SEEK 通过求解基于全网再平衡请求构建的最小费用流问题，实现全局最优再平衡，优于受‘相互抵消’效应影响的本地环路查找方法。
• 协议通过 MPC 计算最优解，确保完全隐私，即使代理被攻破，任何参与方也仅知晓自身输入与输出流量。
• 通过将最优流分解为原子环路，HIDE & SEEK 实现了鲁棒执行：各环路可独立成功，即使部分环路失败，仍能保留部分再平衡结果。
• 与 prior LP-based 方法（如 Revive）相比，该协议更高效，因其使用专用的最小费用流算法，而非通用 LP 求解器。
• 使用零知识证明验证边约束可提升在主动攻击下的再平衡成功率，有效防御 Sybil 攻击与虚假数据攻击。
• HIDE & SEEK 兼容比特币的 HTLC 执行模型，与需要图灵完备交易语言的先前方案不同，因此具备更广泛的可部署性。