Réseaux de canaux de paiement avec dispositifs à ressources limitées

Payment Channel Networks with Resource-constrained Devices

• Auteur / Autrice : Gabriel Antonio Fontes Rebello
• Direction : Maria Potop-Butucaru, Luís Henrique Maciel Kosmalski Costa, Marcelo Dias De Amorim
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Soutenance le 12/07/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Universidade federal do Rio de Janeiro
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Miguel Elias M. Campista
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Augusto Quadros Teixeira, Célio Vinícius Albuquerque
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Yacine Ghamri Doudane, Fabiola Gonçalves Pereira Greve

Mots clés

Mots clés contrôlés

Routage (informatique)

Internet des objets

Cryptographie

Blockchains

Systèmes de paiement

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Mots clés libres

Blockchain

IoT

Canaux de paiement

Blockchain

IoT

Payment channels

Résumé

Les réseaux de canaux de paiement (Payment Channel Networks - PCN) représentent la principale solution pour mettre les paiements basés sur la blockchain à l'échelle des systèmes de paiement centralisés. Cependant, les PCN actuels nécessitent que les nœuds restent en ligne en permanence et disposent de suffisamment de ressources pour exécuter les mécanismes de sécurité des paiements. De telles hypothèses sont difficiles à garantir dans des appareils alimentés par batterie avec des modèles de connectivité intermittente, tels que les téléphones mobiles, les objets connectés et les capteurs. Dans cette thèse, nous abordons le cas des PCN avec des appareils à ressources limitées sur plusieurs fronts. Tout d'abord, nous formalisons un modèle de PCN hybride qui prend en compte les nœuds légers et proposons un mécanisme pour protéger les canaux de paiement avec des appareils à ressources limitées. Nos expériences montrent que le mécanisme proposé est efficace pour les appareils avec une disponibilité élevée et moyenne dans les connexions mobiles à large bande. Ensuite, nous proposons PCNsim, un simulateur qui reproduit les principales fonctionnalités d'un PCN dans le cadre du simulateur de réseaux OMNeT++. PCNsim permet aux chercheurs d'expérimenter avec des paiements dans des conditions de réseau personnalisées représentant des connexions d'appareils à ressources limitées. Les démonstrations de PCNsim montrent qu'il reproduit correctement le comportement d'un PCN sur des canaux de communication peu fiables. Enfin, nous abordons le problème du routage des paiements à partir d'appareils à ressources limitées. Nous présentons un schéma de paiement qui anticipe les confirmations de paiement pour les applications sensibles au temps et deux algorithmes de routage qui routent les paiements en tenant compte des contraintes spécifiques à l'application. Les résultats montrent que nos algorithmes de routage sont efficaces à la fois pour les paiements à un seul chemin et à plusieurs chemins et atteignent leur meilleure performance lorsque les contraintes du problème sont strictes.

Payment-channel networks (PCN) represent the leading solution to scale blockchain-based payments to the performance levels of centralized payment systems. However, current PCNs require nodes to stay permanently online and have enough resources to execute payment security mechanisms. Such assumptions are difficult to guarantee in battery-powered devices with intermittent connectivity patterns, such as mobile phones, smart objects, and sensors. In this thesis, we address the case of PCNs with resource-constrained devices on several fronts. First, we formalize a hybrid PCN model that considers light nodes and propose a mechanism to protect payment channels with resource-constrained devices. Our experiments show that the proposed mechanism is efficient for devices with high and medium availability in mobile broadband connections. Next, we propose PCNsim, a simulator that replicates the main functionalities of a PCN in the OMNeT++ framework. PCNsim allows researchers to experiment with payments under custom networking conditions representing resource-constrained devices' connections. PCNsim's demonstrations show that it correctly replicates the behavior of a PCN over unreliable communication channels. Finally, we address the problem of routing payments from resource-constrained devices. We present a payment scheme that anticipates payment confirmations for time-sensitive applications and two routing algorithms that route payments considering application-specific constraints. The results show that our routing algorithms are efficient both for single-path and multi-path payments and reach their top performance when the problem's constraints are tight.