[論文レビュー] Blockchain moderated by empty blocks to reduce the energetic impact of crypto-moneys

Philippe Jacquet, Bernard Mans|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、計算量が莫大なProof-of-Workに代わり、非公開のnonceの代わりに制御された'空ブロック'のシーケンスを導入することで、エネルギー集約型のProof-of-Workを排除する新しいブロックチェーンプロトコルを提案する。この方式により、ネットワーク規模にかかわらず、チューニング可能で上限のある並列マイニングの並列実行が保証され、グリーンリーダー選挙のアナロジーとゲーム理論的分析を通じて、エネルギー効率性、スケーラビリティ、および51%攻撃に対する耐性を達成する。

ABSTRACT

While cryptocurrencies and blockchain applications continue to gain popularity, their energy cost is evidently becoming unsustainable. In most instances, the main cost comes from the required amount of energy for the Proof-of-Work, and this cost is inherent to the design. In addition, useless costs from discarded work (e.g., the so-called Forks) and lack of scalability (in number of users and in rapid transactions) limit their practical effectiveness. In this paper, we present an innovative scheme which eliminates the nonce and thus the burden of the Proof-of-Work which is the main cause of the energy waste in cryptocurrencies such as Bitcoin. We prove that our scheme guarantees a tunable and bounded average number of simultaneous mining whatever the size of the population in competition, thus by making the use of nonce-based techniques unnecessary, achieves scalability without the cost of consuming a large volume of energy. The technique used in the proof of our scheme is based on the analogy of the analysis of a green leader election. The additional difference with Proof-of-Work schemes (beyond the suppression of the nonce field that is triggering most of the waste), is the introduction of (what we denote as) "empty blocks" which aim are to call regular blocks following a staircase set of values. Our scheme reduces the risk of Forks and provides tunable scalability for the number of users and the speed of block generation. We also prove using game theoretical analysis that our scheme is resilient to unfair competitive investments (e.g., "51 percent" attack) and block nursing.

研究の動機と目的

• ビットコインのような暗号通貨におけるProof-of-Workの持続不可能なエネルギー消費を是正すること。
• nonceベースのマイニングに起因する計算の無駄を排除し、エネルギーコストを持続可能な水準にまで低減すること。
• エネルギー集約型マイニングに依存せずに、スケーラブルで、公平かつ安全なブロック生成を達成すること。
• マイナー参加の有無にかかわらず、ライブネスと公平性を維持する、許可なしで分散型のプロトコルを設計すること。
• 51%攻撃やブロックナースィングといった一般的な攻撃に対して、ゲーム理論的モデリングを通じて耐性を証明すること。

提案手法

• 従来のProof-of-Workに代わり、定期的なブロック生成を制御的・段階的（ステアケージ型）にトリガーするための'空ブロック'のシーケンスを導入する。
• 成功確率の幾何級数的増加に基づく確率制御により、チューニング可能なマイニングレートを実現する。
• 中央機関に依存しない分散的・暗黙的な空ブロックマイニングメカニズムを採用する。
• マイニング試行の平均並列実行数が上限に抑えられることをモデル化・証明するため、グリーンリーダー選挙のアナロジーを用いる。
• インcentive分析のためのゲーム理論フレームワークを採用し、ブロックナースィングのような不正な戦略が、誠実なマイニングよりも報酬が低いことを示す。
• メリン変換を用いた漸近的解析により、相対的計算パワーに応じたマイナーの長期的成功確率を関数として導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Proof-of-Workに起因するエネルギー無駄を排除しつつ、セキュリティとスケーラビリティを維持できるブロックチェーンプロトコルを設計できるか？
• RQ2 計算パズルに依存せずに、分散的・許可なしのシステムでブロックマイニングレートをどのように制御できるか？
• RQ3 マイナー参加状況の変化が、提案された方式における平均並列マイニング試行数に与える影響は何か？
• RQ4 51%攻撃やブロックナースィングといった戦略的攻撃に対して、プロトコルは耐性を示せるか？
• RQ5 マイニング成功確率を個々の計算パワーに依存させず、公平性を保証できるか？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、ネットワーク規模にかかわらず、チューニング可能で上限のある並列マイニング試行数を保証する。
• nonceを排除し、制御された空ブロックのシーケンスに置き換えることで、エネルギー効率性を達成し、大部分のエネルギー浪費を排除する。
• 両マイナーのパワーが等しい場合、成功確率は1/2に収束し、一方のマイナーのパワーが優位になると0に近づくため、公平性が裏付けられる。
• 相対的計算パワー $ x $ を持つマイナーの長期的成功確率を表す関数 $ L(x) $ は、$ L(1) = 1/2 $、$ \lim_{x\to 0} L(x) = 1 $、および $ \lim_{x\to\infty} L(x) = 0 $ を満たし、51%攻撃に対する耐性が確認される。
• ブロックナースィングは、誠実なマイニングよりも報酬が低いという性質を有するため、プロトコルは形式的にブロックナースィングに対して耐性を示す。
• 漸近的解析により、成功確率関数 $ L(x) $ は $ x $ が大きい場合、$ \sim \frac{p - 1/p}{2x\log p} $ のように振る舞うことが示され、過剰投資に対するリターンの逓減が確認される。