Aplicação de blockchains para incentivos em redes cooperativas

Abstract

O problema do caroneiro (free rider) em redes comutadas por pacotes afeta a dependabilidade de redes cooperativas como redes D2D, VANETs e redes comunitárias. Nesse caso, o caroneiro é um roteador egoísta que não encaminha dados na mesma medida que tem seus dados encaminhados na rede. Uma forma de mitigar esse problema é através de mecanismos de incentivo que estimulem o encaminhamento de dados. Recentemente, as blockchains vem sendo utilizadas na implementação de mecanismos de incentivo baseados em crédito. No entanto, os sistemas encontrados no estado da arte requerem um terceiro confiável ou apresentam custos proibitivos com transações em blockchains públicas. A principal contribuição desta tese é uma arquitetura de sistema chamado HARPIA que implementa incentivos ao encaminhamento de dados sem a necessidade de um terceiro confiável e com custos significativamente menores na blockchain pública. O HARPIA realiza uma contabilização de tráfego de rede distribuída chamada DPIFA e automatiza a compensação dos créditos e débitos entre os roteadores através de um contrato inteligente Solidity. As transações que fazem a compensação são validadas e assinadas por um percentual mínimo dos roteadores da rede com um esquema de multi-assinatura antes de serem enviadas para a blockchain pública a cada ciclo do sistema (ex: diariamente, semanalmente, mensalmente). O HARPIA foi descrito utilizando um caso de uso típico de redes comunitárias. Foram realizadas análises quantitativas dos seus componentes em termos de desempenho, escalabilidade e custos na blockchain pública. Além disso, foi realizada uma análise preliminar das ameaças de segurança e das respectivas contramedidas para mitigá-las. Os resultados demonstraram que é possível utilizar o HARPIA em redes com até 64 roteadores de infraestrutura com hardware de propósito geral atual utilizando configurações específicas de um esquema de multi-assinatura com limiar m-de-n.

Abstract: The free rider problem in packet-switched networks affects the dependability of cooperative networks such as D2D networks, VANETs, and community networks. In this context, free riders are selfish routers that take advantage of cooperation from others but do not contribute reciprocally. Incentive mechanisms have been proposed to encourage cooperation in data forwarding. Recently, blockchains have been applied to credit-based incentive mechanisms. However, state-of-the-art systems require a trusted third-party and present prohibitive costs in terms of public blockchain transactions. The main contribution of this thesis is a new system architecture called HARPIA that implements data forwarding incentives without the need for a trusted third party and significantly reduces public blockchain costs. HARPIA performs a distributed network traffic accounting called DPIFA and automatizes credits and debits settlements among routers using a Solidity smart contract. Settlement transactions are validated and signed by a minimum percentage of the network routers using a threshold multi-signature scheme before being transmitted to the public blockchain in every system cycle (e.g., daily, weekly, monthly). A use case is given that describes a typical architecture application in community networks. HARPIA components were evaluated regarding performance, scalability, and public blockchains costs. Also, a preliminary threat assessment is presented with the respective countermeasures. Results show that HARPIA architecture is suitable for community networks with up to 64 infrastructure routers with handy general-purpose computers under specific m-of-n multi-signature thresholds.