[論文レビュー] HEB: Hybrid Expenditure Blockchain

Itay Tsabary, Alexander Spiegelman+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2019

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 5

ひとこと要約

HEBは、計算コストの任意の支出を、電力消費や寄付などの外部で実施される現実世界の支出に置き換えることで、調整可能なPoW（Proof-of-Work）暗号通貨プロトコルを導入する。このプロトコルは、合理的な攻撃に対してもセキュリティを維持する。プロトコル設計者が外部のコミットメントを通じてマイニングコストを調整可能にすることで、HEBはPoWブロックチェーンの環境的影響を顕著に低減するが、セキュリティを損なわない。

ABSTRACT

The study of Proof of Work (PoW) has culminated with the introduction of cryptocurrency blockchains like Bitcoin. These protocols require their operators, called miners, to expend computational resources and they reward them with minted cryptocurrency tokens. The system is secure from attackers who cannot expend resources at a rate equivalent to that of all benign miners. But the resource requirement is arbitrary - the product of the number of minted tokens and their real value. We present Hybrid Expenditure Blockchain (HEB), a novel cryptocurrency PoW protocol that allows its designer to tune external expenditure. To the best of our knowledge, this is the first tunable PoW protocol. Despite the reduced resource expenditure, it maintains the security guarantees of pure PoW protocols against rational attacks. HEB has practical implications, as global power expenditure on PoW blockchains exceeds that of a medium-sized country. Applying HEB in operational PoW systems can significantly reduce their ecological footprint.

研究の動機と目的

• ビットコインのような従来のPoWブロックチェーンが示す高額で任意のエネルギー消費を是正すること。
• マイニングコストを計算ではなく、現実世界の支出によって調整可能なPoWプロトコルを設計すること。
• 資源消費が削減されても、合理的な敵対者に対する強固なセキュリティ保証を維持すること。
• PoWベースの暗号通貨の世界的な環境的影響を顕著に低減する実用的代替案を提供すること。

提案手法

• HEBは、電力料金明細書や慈善寄付などの外部で検証可能な支出に、計算作業を置き換える。
• プロトコルは、マイナーが現実世界のコストにコミットするメカニズムを導入し、ブロック検証前に暗号的に検証される。
• マイニング報酬は、計算能力ではなく、外部支出の証明の正常な提出に結びつく。
• 攻撃者が全诚实マイナーの合計コスト未満のコストで攻撃を実行しても、利点を得られないようにシステムが保証される。
• 調整可能성이、必要な支出の閾値を調整することで実現され、設計者がマイニングコストを動的に制御できる。
• ゲーム理論的分析により、攻撃コストが報酬を上回る場合、合理的なマイナーは攻撃を行わないことが示される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 計算能力ではなく、現実世界の支出によって調整可能なマイニングコストを持つPoWプロトコルを設計できるか？
• RQ2 このようなシステムは、合理的な攻撃者に対しても、従来のPoWと同等のセキュリティ保証を維持できるか？
• RQ3 HEBは、セキュリティを損なわず、PoWブロックチェーンの環境的影響を顕著に低減できるか？
• RQ4 外部支出をどのように暗号的に検証すれば、マイニングプロセスにおける不正を防げるか？

主な発見

• HEBは、電力や寄付などの外部支出を通じて、マイニングコストをプロトコル設計者が調整可能にできる。
• 攻撃コストが期待報酬を上回ることを保証することで、合理的な攻撃者に対するセキュリティが維持される。
• 計算の無駄を現実世界の支出に置き換えることで、HEBはPoWブロックチェーンの環境的影響を顕著に低減する。
• HEBは、純粋なPoWのセキュリティ特性を維持しつつ、調整可能なマイニングコストを許容する最初に知られているPoWプロトコルである。