[論文レビュー] Bobtail: A Proof-of-Work Target that Minimizes Blockchain Mining Variance (Draft)

George Bissias, Brian Neil Levine|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 14被引用数 10

ひとこと要約

この論文では、現在のシステムで使用されている単一の最小ハッシュ（k=1）の代わりに、k番目に小さいハッシュ統計量の平均を用いることで、ブロックチェーンのブロック間時間のばらつきを低減する新しいPoWマイニングプロトコル「Bobtail」を提案する。kを増加させることで、ダブルスペンディングおよびセルフィッシュマイニング攻撃の成功率を顕著に低下させることができる。例えば、40%の攻撃者について、k≥40のとき、成功率は53%から1%未満にまで低下する。一方、平均ブロック時間は維持され、レアブロック（オーファンブロック）の発生も最小限に抑えられる。

ABSTRACT

Blockchain systems are designed to produce blocks at a constant average rate. The most popular systems currently employ a Proof of Work (PoW) algorithm as a means of creating these blocks. Bitcoin produces, on average, one block every 10 minutes. An unfortunate limitation of all deployed PoW blockchain systems is that the time between blocks has high variance. For example, 5% of the time, Bitcoin's inter-block time is at least 40 minutes. This variance impedes the consistent flow of validated transactions through the system. We propose an alternative process for PoW-based block discovery that results in an inter-block time with significantly lower variance. Our algorithm, called Bobtail, generalizes the current algorithm by comparing the mean of the k lowest order statistics to a target. We show that the variance of inter-block times decreases as k increases. If our approach were applied to Bitcoin, about 80% of blocks would be found within 7 to 12 minutes, and nearly every block would be found within 5 to 18 minutes; the average inter-block time would remain at 10 minutes. Further, we show that low-variance mining significantly thwarts doublespend and selfish mining attacks. For Bitcoin and Ethereum currently (k=1), an attacker with 40% of the mining power will succeed with 30% probability when the merchant sets up an embargo of 8 blocks; however, when k>=20, the probability of success falls to less than 1%. Similarly, for Bitcoin and Ethereum currently, a selfish miner with 40% of the mining power will claim about 66% of blocks; however, when k>=5, the same miner will find that selfish mining is less successful than honest mining. The cost of our approach is a larger block header.

研究の動機と目的

• 既存のPoWブロックチェーンにおけるブロック間時間の高いばらつきが、セキュリティおよび取引の信頼性を損なうという問題に対処すること。
• このばらつきを悪用する根本的な攻撃、たとえばダブルスペンディングおよびセルフィッシュマイニングの有効性を低減すること。
• ブロックサイズやネットワークオーヘッドを著しく増加させることなく、低ばらつきを維持するマイニングプロトコルの設計。
• 提案されたばらつき低減メカニズムによって生じる新たな攻撃ベクトルを同定し、それらを最小限のプロトコル変更で効果的に緩和すること。
• 最小限のプロトコル変更とインcentive-compatible（インcentiveに整合した）ルールを通じて、後方互換性と実用的導入を確保すること。

提案手法

• Bobtailは、標準的なPoWを一般化し、最小値ではなく、ハッシュの集合から得られるk番目に小さい値の平均が、目標t未満であることを要求する。
• プロトコルはk番目の順序統計量とk個の最小値の平均を統合されたマイニング証明として用い、この平均が目標以下になるとブロック発見がトリガーされる。
• この手法は、[0, S] 上の離散一様分布からの順序統計を用いて形式的に分析されており、S = 2^256 - 1 である。
• ブロック発見時間のばらつきは解析的に導出され、O(1/k) のスケーリングを示しており、kが大きくなるほどばらつきが顕著に減少することが示されている。
• 報酬メカニズムとして、マイナー自身の証明を優先し、証明の到着順序を用いた証明選択ルールを導入することで、隠し攻撃（withholding attack）を抑止する。
• 取引処理のポリシーを提案し、証明が遅く到着した場合にマイナーが矛盾する取引を破棄することで、報酬拒否攻撃（denial-of-reward attack）を防止する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 k（マイニングに使用する最小のk個の順序統計量の数）を増加させることで、PoWブロックチェーンにおけるブロック間時間のばらつきにどのような影響を与えるか？
• RQ2 標準的なPoW（k=1）と比較して、Bobtailはダブルスペンディングおよびセルフィッシュマイニング攻撃の成功確率をどの程度低減するか？
• RQ3 Bobtailによって生じる新たな攻撃ベクトルは何か？それらは最小限のプロトコル変更で効果的に緩和可能か？
• RQ4 既存のシステムと比較して、Bobtailはオーファンブロック発生率およびネットワーク効率にどのような影響を与えるか？
• RQ5 Bobtail下でも、内部の証明隠し（intra-block withholding）および報酬拒否攻撃を防ぐためのインcentive-compatibleルールを設計可能か？

主な発見

• Bobtailは、標準的なPoW（k=1）と比較して、ブロック間時間のばらつきをO(1/k)の要因で低減し、ブロック生成の安定性を顕著に向上させる。
• ビットコインおよびイーサリアムにおいて、40%の攻撃者のダブルスペンディング成功確率は、k=1のとき53%からk≥40のとき1%未満にまで低下する。
• k≥20の場合、49%のネットワークパワーを持つセルフィッシュマイナーは、誠実なマイニングが自己利益を最大化するため、攻撃のインcentiveを失う。
• プロトコルは、ビットコインと同様に10分の安定した平均ブロック時間（10分）を維持し、実際のブロック間時間のばらつきは5〜18分にまで低減される。
• オーファンブロック発生率はBobtail下でも上昇せず、エクリプス攻撃および隠し攻撃に対しても堅牢である。
• 新たな内部証明隠しおよび報酬拒否攻撃は可能ではあるが、単純でインcentiveに整合した証明選択および取引処理ルールにより、効果的に緩和可能である。