[论文解读] Towards Secure and Efficient Payment Channels

Georgia Avarikioti, Felix Laufenberg+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 2被引用 15

一句话总结

本文提出了一种新颖的、激励相容的看管者协议，可在无需参与者持续在线的情况下保护支付通道，实现链下欺诈检测。此外，还引入了一种分层通道构建方式（xD-通道），通过利用交易图拓扑结构，显著减少签名数量和锁定资金，从而在零售或税务支付等现实支付场景中大幅提升效率。

ABSTRACT

Micropayment channels are the most prominent solution to the limitation on transaction throughput in current blockchain systems. However, in practice channels are risky because participants have to be online constantly to avoid fraud, and inefficient because participants have to open multiple channels and lock funds in them. To address the security issue, we propose a novel mechanism that involves watchtowers incentivized to watch the channels and reveal a fraud. Our protocol does not require participants to be online constantly watching the blockchain. The protocol is secure, incentive compatible and lightweight in communication. Furthermore, we present an adaptation of our protocol implementable on the Lightning protocol. Towards efficiency, we examine specific topological structures in the blockchain transaction graph and generalize the construction of channels to enable topologies better suited to specific real-world needs. In these cases, our construction reduces the required amount of signatures for a transaction and the total amount of locked funds in the system.

研究动机与目标

• 解决支付通道中参与者必须持续在线以防止欺诈的安全风险。
• 解决现有第三方监控解决方案中看管者缺乏激励的问题。
• 通过将通道构建方式泛化以更好地匹配现实世界的交易拓扑结构，提升通道效率。
• 在多方支付通道中减少所需签名数量和总锁定资金。

提出的方法

• 引入一个去中心化的看管者网络，其中看管者通过奖励机制被激励监控通道并报告欺诈行为。
• 设计一种披露级联机制（DCWC），确保看管者仅在真实报告时获得奖励，使协议偏离行为无利可图。
• 实现一种与比特币闪电网络兼容的协议变体，以确保向后兼容性和实际部署可行性。
• 提出xD-通道——一种分层通道构建方式，其中每个节点仅有一条出边，每笔交易仅需一次签名。
• 将通道构建方式泛化，以支持每个参与者仅有一条出边的拓扑结构，从而最小化签名数量和锁定资金。
• 使用博弈论模型证明，对看管者而言遵循协议是占优策略，从而确保激励相容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种看管者系统，使其参与受到激励，且欺诈检测既安全又高效？
• RQ2 如何在不强制参与者持续在线的情况下保护支付通道？
• RQ3 能否将多方通道构建方式泛化，以支持现实世界中的交易拓扑结构，如分层支付流程？
• RQ4 在特定拓扑约束下，多方通道中所需签名数量和锁定资金的最小值是多少？
• RQ5 所提出的通道构建方式能否在保持安全性和效率的同时，显著减少整体链上足迹？

主要发现

• 所提出的看管者协议在安全性和激励相容性方面表现良好，确保看管者通过遵循协议可实现最大收益。
• 该协议使参与者能够离线而不影响通道安全性，从而解决了持续在线的要求问题。
• 在每个节点仅有一条出边的情况下，xD-通道构建方式将每笔交易所需的签名数量减少至仅一个。
• 系统中锁定资金的总量被最小化，因为资金可像本票（IOUs）一样在通道间转移。
• 该协议可在闪电网络上实现，证明其与现有区块链基础设施具有向后兼容性。
• 所提出的通道拓扑结构在客户向商户付款或向政府缴税等常见现实场景中显著提升了效率。