[论文解读] Towards a Two-Tier Hierarchical Infrastructure: An Offline Payment System for Central Bank Digital Currencies

Mihai Christodorescu, Wanyun Catherine Gu+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Blockchain Technology Applications and Security被引用 8

一句话总结

本文提出一种基于公钥密码学和可信执行环境（TEEs）的两级分层信任架构的央行数字货币（CBDC）离线支付系统（OPS）。该协议可在无互联网连接的情况下实现安全、实时的点对点数字现金交易，通过 TEE 保护的数字签名和密码学验证协议防止双重支付，实现近乎无限的吞吐量和低延迟。

ABSTRACT

Digital payments traditionally rely on online communications with several intermediaries such as banks, payment networks, and payment processors in order to authorize and process payment transactions. While these communication networks are designed to be highly available with continuous uptime, there may be times when an end-user experiences little or no access to network connectivity. The growing interest in digital forms of payments has led central banks around the world to explore the possibility of issuing a new type of central-bank money, known as central bank digital currency (CBDC). To facilitate the secure issuance and transfer of CBDC, we envision a CBDC design under a two-tier hierarchical trust infrastructure, which is implemented using public-key cryptography with the central bank as the root certificate authority for generating digital signatures, and other financial institutions as intermediate certificate authorities. One important design feature for CBDC that can be developed under this hierarchical trust infrastructure is an offline capability to create secure point-to-point offline payments through the use of authorized hardware. An offline capability for CBDC as digital cash can create a resilient payment system for consumers and businesses to transact in any situation. We propose an offline payment system (OPS) protocol for CBDC that allows a user to make digital payments to another user while both users are temporarily offline and unable to connect to payment intermediaries (or even the Internet). OPS can be used to instantly complete a transaction involving any form of digital currency over a point-to-point channel without communicating with any payment intermediary, achieving virtually unbounded throughput and real-time transaction latency.

研究动机与目标

• 设计一种无需依赖互联网连接的、安全且可扩展的央行数字货币（CBDC）离线支付机制。
• 通过将可信执行环境（TEEs）作为主要信任锚点，解决离线交易中的双重支付问题。
• 通过两级信任层级实现用户之间的点对点数字现金转账，其中中央银行作为根 CA，金融机构作为中间 CA。
• 通过数字签名和证书的密码学验证确保交易的真实性与完整性，即使在无在线中介的情况下亦可实现。
• 通过不同协议支持 TEE 和非 TEE 客户端——TEEs 使用“collect”协议，非 TEE 用户使用“claim”协议，防止重放攻击和双重支付。

提出的方法

• 系统采用两级分层信任模型，中央银行作为根证书颁发机构（CA），受监管的金融机构作为中间 CA，向钱包提供商签发数字证书。
• 离线支付通过可信执行环境（TEEs）生成的数字签名来保障安全，TEEs 成为离线交易的主要信任来源。
• 离线支付协议（OPS）通过请求-响应交互，实现两个 TEE 支持设备之间的直接点对点转账，并对发送方身份和支付真实性进行密码学验证。
• 支付验证通过多步检查完成：(1) TEE 证书验证，(2) 使用发送方公钥验证签名，(3) 通过本地支付日志验证以防止重放攻击。
• 独立的“Claim”协议允许非 TEE 客户端通过向中央服务器（S）提交支付，由其使用支付日志验证支付的真实性与新鲜度。
• 系统强制互斥：支付确认只能由 TEE 收集（collect），或由非 TEE 客户端申领（claim），不能同时进行，从而防止恶意资金复制。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种无需持续网络连接或可信中介的、安全的离线数字现金系统用于 CBDC？
• RQ2 在交易执行期间无中央权威参与的离线支付环境中，哪些密码学与信任机制可防止双重支付？
• RQ3 如何有效将两级分层信任架构应用于 CBDC，以实现信任的可扩展性，同时保持安全性和监管合规性？
• RQ4 可信执行环境（TEEs）在实现安全离线支付中扮演何种角色？如何将其集成到更广泛的 CBDC 生态系统中？
• RQ5 系统如何确保离线支付既真实又幂等性，防止重放攻击与双重支付？

主要发现

• 所提出的 OPS 协议可实现近乎无限吞吐量的实时点对点离线支付，因为交易在本地处理，不依赖网络中介。
• 通过 TEE 生成的数字签名以及对证书和签名的密码学验证，有效防止双重支付，确保交易的真实性与完整性。
• 通过在客户端和 TEE 上维护本地支付日志，系统实现强安全保证，利用新鲜度检查防止重放攻击。
• 通过将‘collect’（TEEs）与‘claim’（非 TEE 客户端）分离，确保每笔支付确认仅被处理一次，彻底消除重复风险。
• 分层信任模型使中央银行能够将信任委托给受监管的金融机构，实现可扩展且合规的 CBDC 大规模部署。
• 该协议对网络中断具有鲁棒性，在用户离线时仍能保持交易终局性，适用于紧急或低连接性场景。