[论文解读] LocalCoin: An Ad-hoc Payment Scheme for Areas with High Connectivity

Dimitris Chatzopoulos, Sujit Gujar+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 5被引用 7

一句话总结

LocalCoin 提出了一种轻量级的、用于高密度环境中的移动设备的自组织加密货币，用基于附近用户协作验证的社交硬度模型取代比特币的计算密集型工作量证明。通过分布式区块链和基于邻近性的共识机制，实现了近乎零的双重支付概率，从而在无需互联网或高端硬件的情况下实现安全、低开销的交易。

ABSTRACT

The popularity of digital currencies, especially cryptocurrencies, has been continuously growing since the appearance of Bitcoin. Bitcoin's security lies in a proof-of-work scheme, which requires high computational resources at the miners. Despite advances in mobile technology, existing cryptocurrencies cannot be maintained by mobile devices due to their low processing capabilities. Mobile devices can only accommodate mobile applications (wallets) that allow users to exchange credits of cryptocurrencies. In this work, we propose LocalCoin, an alternative cryptocurrency that requires minimal computational resources, produces low data traffic and works with off-the-shelf mobile devices. LocalCoin replaces the computational hardness that is at the root of Bitcoin's security with the social hardness of ensuring that all witnesses to a transaction are colluders. Localcoin features (i) a lightweight proof-of-work scheme and (ii) a distributed blockchain. We analyze LocalCoin for double spending for passive and active attacks and prove that under the assumption of sufficient number of users and properly selected tuning parameters the probability of double spending is close to zero. Extensive simulations on real mobility traces, realistic urban settings, and random geometric graphs show that the probability of success of one transaction converges to 1 and the probability of the success of a double spending attempt converges to 0.

研究动机与目标

• 设计一种无需互联网或高计算能力的加密货币，适用于现成的移动设备。
• 解决现有加密货币在移动和间歇性连接环境中的局限性。
• 用基于用户邻近性和协作的社交硬度模型取代比特币的计算工作量证明。
• 通过分布式区块链和基于邻近性的验证确保防双重支付。
• 利用真实世界移动轨迹和网络仿真评估协议的可行性和安全性。

提出的方法

• LocalCoin 使用轻量级工作量证明方案，相比比特币的 SHA-256 哈希，显著降低了计算开销。
• 采用分布式区块链，区块由基于邻近性和连接性的附近移动用户创建和验证。
• 交易验证基于社交硬度模型：只有当所有见证该交易的用户串通时，双重支付才可能成功。
• 区块创建受规则约束：验证者之间的平均距离必须低于阈值 $aVd$，以确保信任的空间分布。
• 协议通过移动用户之间的消息交换传播交易和区块信息，利用 WiFi-Direct 等自组织网络技术。
• 可集成固定网络（如校园接入点）以提升消息传递和位置估计，而不改变核心机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种无需互联网连接和高计算资源的加密货币？
• RQ2 在用户信任度低且连接间歇的移动自组织网络环境中，如何防止双重支付？
• RQ3 用户密度和邻近性对去中心化支付系统安全性与交易成功率有何影响？
• RQ4 与计算硬度相比，社交硬度模型在鲁棒性和资源效率方面表现如何？
• RQ5 在现实城市移动场景中，需要哪些调参才能确保双重支付概率接近于零？

主要发现

• 在用户密度足够高且参数合理调优的情况下，成功实施双重支付攻击的概率趋近于零。
• 在密集城市和随机几何网络环境中，单个交易的成功率趋近于 1。
• 基于真实移动轨迹的广泛仿真表明，LocalCoin 保持了高交易可靠性与强大的双重支付抵抗能力。
• 该协议在安全性方面可与比特币媲美，但计算和数据开销大幅降低。
• 1 千字节交易的功耗估计为：传输 0.00048 焦耳，接收 0.0004 焦耳，表明能耗极低。
• 与固定基础设施（如接入点）集成可提升消息传递和位置估计，且不损害去中心化特性。