[论文解读] High Throughput Cryptocurrency Routing in Payment Channel Networks

Vibhaalakshmi Sivaraman, Shaileshh Bojja Venkatakrishnan+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Caching and Content Delivery参考文献 38被引用 41

一句话总结

Spider 将交易分组打包并使用多路径拥塞控制协议，在支付通道网络中实现高吞吐量路由，较现有方法减少所需抵押品并提高吞吐量。

ABSTRACT

Despite growing adoption of cryptocurrencies, making fast payments at scale remains a challenge. Payment channel networks (PCNs) such as the Lightning Network have emerged as a viable scaling solution. However, completing payments on PCNs is challenging: payments must be routed on paths with sufficient funds. As payments flow over a single channel (link) in the same direction, the channel eventually becomes depleted and cannot support further payments in that direction; hence, naive routing schemes like shortest-path routing can deplete key payment channels and paralyze the system. Today's PCNs also route payments atomically, worsening the problem. In this paper, we present Spider, a routing solution that "packetizes" transactions and uses a multi-path transport protocol to achieve high-throughput routing in PCNs. Packetization allows Spider to complete even large transactions on low-capacity payment channels over time, while the multi-path congestion control protocol ensures balanced utilization of channels and fairness across flows. Extensive simulations comparing Spider with state-of-the-art approaches shows that Spider requires less than 25% of the funds to successfully route over 95% of transactions on balanced traffic demands, and offloads 4x more transactions onto the PCN on imbalanced demands.

研究动机与目标

• 通过支付通道网络（PCN）激发对可扩展、快速加密货币支付的需求。
• 识别阻碍当前PCN路由的基本吞吐量与余额挑战。
• 提出一种分组交换架构和多路径拥塞控制协议（Spider），以实现平衡且高吞吐量的路由。
• 通过仿真和小规模实现演示 Spider 如何提升吞吐量并将更多流量卸载到 PCN。

提出的方法

• 介绍一种用于PCN的分组交换架构，将交易拆分为交易单元并通过多条路径与时间转发。
• 开发 Spider，一种多路径传输协议，利用简单的拥塞信号来平衡信道使用并最大化吞吐量。
• 提出一个基于流体近似的NUM模型，描述具有平衡与容量约束的PCN路由，并分析循环流动与DAG需求。
• 提出一种实用协议，包含路由器价格信号与端宿主路径探测，受MPTCP风格的多路径耦合启发。
• 通过分组级仿真和在LND Lightning Network代码库上的小规模实现进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在传统路由下，信道平衡与容量约束如何限制PCN的吞吐量？
• RQ2 分组化和多路径拥塞控制是否能在保持公平性的同时显著提升PCN吞吐量？
• RQ3 哪些结构性需求模式（循环 vs. DAG）会影响PCN可实现的最大吞吐量？
• RQ4 去中心化的基于价格的路由如何在不需要过度链上再平衡的情况下实现PCN信道的平衡利用？
• RQ5 在循环与DAG流量模式下，Spider 相较于最先进的路由表现如何？

主要发现

• 在循环需求下，Spider 需要不到 25% 的资金就能路由超过 95% 的交易。
• 在DAG需求下，Spider 将每笔区块链交易外包到PCN的交易数量为7-8倍，相较当前方法提升了4倍。
• 与最先进方法相比，在循环需求下，Spider 使用信用卡交易数据集对前25%中最大的交易中完成1.3-1.8倍更多。
• Spider 的网络级方法在保持流之间公平性的同时实现了高吞吐量。