[论文解读] Towards Fairness of Cryptocurrency Payments

Jian Liu, Wenting Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 8被引用 6

一句话总结

本文提出了两种基于区块链的加密货币支付公平交换协议，通过利用智能合约和可验证加密技术，确保了强时效性和公平性。采用乐观公平交换（OFE）的协议相比基于签名的替代方案，完成时间快14倍（277毫秒 vs. 3.8秒），在资源受限环境中更具效率，同时保持了强公平性和非侵入性。

ABSTRACT

Motivated by the great success and adoption of Bitcoin, a number of cryptocurrencies such as Litecoin, Dogecoin, and Ethereum are becoming increasingly popular. Although existing blockchain-based cryptocurrency schemes can ensure reasonable security for transactions, they do not consider any notion of fairness. Fair exchange allows two players to exchange digital "items", such as digital signatures, over insecure networks fairly, so that either each player gets the other's item, or neither player does. Given that blockchain participants typically do not trust each other, enabling fairness in existing cryptocurrencies is an essential but insufficiently explored problem. In this paper, we explore the solution space for enabling the fair exchange of a cryptocurrency payment for a receipt. We identify the timeliness of an exchange as an important property especially when one of the parties involved in the exchange is resource-constrained. We introduce the notion of strong timeliness for a fair exchange protocol and propose two fair payment-for-receipt protocol instantiations that leverage functionality of the blockchain to achieve strong timeliness. We implement both and compare their security and efficiency.

研究动机与目标

• 解决现有加密货币系统中缺乏公平性的问题，即在支付与收据交换过程中，任一方可能无法获得补偿。
• 引入强时效性的新概念，确保交换在可预测的短时间内完成，尤其对物联网和资源受限设备至关重要。
• 设计并实现两种利用区块链功能的公平支付-收据协议，保证公平性和强时效性。
• 评估并比较所提协议与先前工作的性能、效率和成本，特别是与Heilman等人方法的对比。
• 探讨区块链公平交换中公平性、时效性、非侵入性和对可信第三方（TTP）依赖之间的权衡。

提出的方法

• 本文引入强时效性的新概念，要求交换在可预测的短时间窗口内完成，尤其对物联网和资源受限设备至关重要。
• 提出两种协议：一种基于乐观公平交换（OFE）并结合可验证加密，另一种使用基于区块链的数字签名进行收据验证。
• 两种协议均使用以太坊上的智能合约来强制执行公平性，TTP（可信第三方）仅在发生争议时被调用。
• 基于OFE的协议使用可验证加密，使TTP能够在不泄露收据内容的情况下解决争议，从而增强隐私性。
• 在私有以太坊网络上进行性能评估，块时间调整为5秒，测量每个协议阶段的执行时间和交易成本。
• 从公平性、时效性、成本和非侵入性等方面，将协议与固定超时方案及Heilman等人协议进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于区块链的协议能否在加密货币支付的公平交换中实现强时效性，尤其是在资源受限条件下？
• RQ2 基于区块链的公平交换协议在性能和成本方面与先前方法相比如何，特别是在乐观执行与中止场景下？
• RQ3 在加密货币支付协议中，公平性、时效性、非侵入性和对可信第三方（TTP）依赖之间存在哪些权衡？
• RQ4 可验证加密能否在智能合约中有效应用，以在保障公平性和强时效性的同时保护隐私？
• RQ5 在实际部署场景中，基于区块链的OFE协议是否比基于签名的协议更高效？

主要发现

• 基于OFE的区块链协议平均完成时间为277.0 ± 9.2毫秒，约为基于签名协议（3,831.0 ± 973.2毫秒）的14倍快。
• OFE协议实现了强公平性和强时效性，而固定超时方案仅提供弱公平性和弱时效性。
• 在中止场景下，两种协议的时间和成本开销相近，OFE协议耗时3,432.4 ± 1,000.3毫秒，基于签名的协议耗时4,301.5 ± 1,305.6毫秒。
• 在乐观执行场景下，OFE协议在成本和时间效率方面优于基于签名的协议，因此特别适合对延迟敏感和高效率要求的场景。
• 依赖基于区块链签名的协议在强公平性和隐私保护方面更具优势，即使需承担更高的延迟。
• 研究证实，非侵入性仅在OFE协议中可实现，而基于签名的协议需要修改区块链，属于侵入性方案。