[論文レビュー] A Survey on Applications of Game Theory in Blockchain

Ziyao Liu, Nguyen Cong Luong+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 117被引用数 68

ひとこと要約

ゲーム理論がブロックチェーンネットワークをどのように分析するかの調査。セキュリティ、マイニング管理、経済全体への応用に焦点を当て、さまざまなゲームモデルを用いる。

ABSTRACT

In the past decades, the blockchain technology has attracted tremendous attention from both academia and industry. The popularity of blockchain networks was originated from a crypto-currency to serve as a decentralized and tamperproof transaction data ledger. Nowadays, blockchain as the key framework in the decentralized public data-ledger, has been applied to a wide range of scenarios far beyond crypto-currencies, such as Internet of Things (IoT), healthcare, and insurance. This survey aims to fill the gap between the large number of studies on blockchain network, where game theory emerges as an analytical tool, and the lack of a comprehensive survey on the game theoretical approaches applied in blockchain related issues. In this paper, we review game models proposed to address common issues in the blockchain network. The issues include security issues, e.g., selfish mining, majority attack and Denial of Service (DoS) attack, issues regard mining management, e.g., computational power allocation, reward allocation, and pool selection, as well as issues regarding blockchain economic and energy trading. Additionally, we discuss advantages and disadvantages of these selected game models and solutions. Finally, we highlight important challenges and future research directions of applying game theoretical approaches to incentive mechanism design, and the combination of blockchain with other technologies.

研究の動機と目的

• ブロックチェーンのノード（マイナー、マイニングプール、ユーザー）間の戦略的相互作用を、ゲーム理論がどのように分析できるかを明らかにする。
• ブロックチェーンネットワークにおけるセキュリティ脅威（例：セルフィッシュマイニング、DoS など）に対処するゲーム理論モデルをレビューする。
• 計算力配分、プール選択、報酬分配など、マイニング管理の問題を調査する。
• エネルギー取引や市場の相互作用を含む、ブロックチェーンプラットフォーム上のインセンティブ設計メカニズムと応用を探る。

提案手法

• 文献をブロックチェーンの課題カテゴリ（セキュリティ、マイニング管理、アプリケーション）別に分類する。
• 各研究について、ゲームモデル、プレイヤー、行動、戦略、報酬を特定する。
• 用いられる標準的なゲーム理論概念を説明する（ナッシュ均衡、サブゲーム完全均衡、Stackelberg均衡、拡張形式、確率過程ゲームなど）。
• 各モデルがどのように分析するかを要約するとともに、インセンティブ互換性とネットワークのセキュリティについて何を示すかを明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンのマイナー、プール、ユーザー間の戦略的相互作用を最も適切に捉えるゲーム理論モデルは何か？
• RQ2 これらのモデルは、PoW/PoSシステムにおけるセルフィッシュマイニング、ブロック保留、DoS などのセキュリティ脅威にどのように対処するのか？
• RQ3 ゲーム理論的分析は、合意プロトコルのインセンティブ互換性と安定性についてどのような示唆を与えるか？
• RQ4 ブロックチェーンとゲーム理論を組み合わせる際の主要な未解決課題と今後の方向性は何か？
• RQ5 ブロックチェーンを活用したアプリケーション（例：エッジコンピューティング、エネルギー取引）におけるインセンティブ設計と資源配分にゲーム理論がどのように役立つか？

主な発見

• ゲーム理論は、ブロックチェーンネットワークにおけるマイナーとプールの行動およびインセンティブ互換性を分析する自然な枠組みを提供する。
• 非協力型、拡張形式、Stackelberg、確率過程を含む確率過程ゲームなど、さまざまなゲームモデルが、セキュリティ攻撃、マイニング管理、市場の相互作用の研究に役立つ。
• 応用には、セルフィッシュマイニング、プールのブロック保留、フォークチェーンの選択、報酬と電力配分、サイバー保険価格設定などを含む。
• ZD（ゼロ決定）戦略と協力の概念が、セルフィッシュマイニングの文脈で社会的福利を改善するために探究されている。
• 本調査は課題を明らかにし、インセンティブ機構設計と他技術との統合に関する今後の方向性を概説している。