[論文レビュー] Just Enough Security: Reducing Proof-of-Work Ecological Footprint.

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

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、設計者が外部からリソース消費を調整できるように設定可能な、Proof-of-Work（PoW）プロトコルであるハイブリッド支出ブロックチェーン（HEB）を紹介する。従来のPoWとは異なり、HEBは電力やハードウェアコストなどの現実世界の支出を組み込むことで、エネルギーおよび計算コストを顕著に低減しながらも、合理的な攻撃に対して強いセキュリティを維持する。これは、従来のPoWシステムに対する持続可能な代替手段を提供する。

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

• Proof-of-Work（PoW）ブロックチェーンの増大する環境的コスト（中規模国と同等のエネルギー消費）を是正すること。
• 純粋な計算能力を超えたリソース消費を調整可能なPoWプロトコルを設計し、環境への影響を低減すること。
• 計算要求が低減されているにもかかわらず、従来のPoWと同等のセキュリティ保証を維持すること。
• エネルギーおよびリソース消費が測定可能に低減されている、実用的でスケーラブルな従来のPoWシステムの代替手段を提供すること。

提案手法

• HEBは、マイナーが計算パワーに加えて、電力やハードウェアコストなどの外部現実世界のリソースを消費するハイブリッドモデルを導入する。
• プロトコルは、外部消費の相対的重みを設計者が調整可能であり、マイニングの総リソースコストを制御できる。
• 攻撃者が経済的に利益を得られないように、外部および計算的消費の合計コストを維持することでセキュリティを確保する。
• 計算的および外部コストの両方を考慮した修正されたマイニング難易度調整を用いることで、一定のブロック生成レートを保証する。
• 経済的インcentiveを活用して、マイナーの行動をプロトコルの望ましいリソース消費レベルに一致させる。
• プロトコルは、マイナーが利益を最大化するために行動すると仮定した合理的な攻撃モデルにおいて、形式的に安全であることが証明されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セキュリティ保証を維持しながら、外部リソース消費を調整可能なPoWプロトコルを設計することは可能か？
• RQ2 合理的な攻撃に対する耐性を損なわずに、PoWブロックチェーンの環境的インパクトをどのように低減できるか？
• RQ3 電力などの現実世界の支出を、安全かつ調整可能な方法でマイニングプロセスに統合するメカニズムは何か？
• RQ4 HEBは、ビットコインのような従来のPoWシステムと比較して、エネルギー消費をどの程度低減できるか？

主な発見

• HEBは、マイニングの総リソースコストを外部から調整可能にし、セキュリティを純粋な計算パワーとは分離可能にする。
• 計算消費が顕著に低減されているにもかかわらず、純粋なPoWと同等のセキュリティを合理的な攻撃に対して維持する。
• 電力やハードウェアコストなどの外部消費を組み込むことで、PoWブロックチェーンの世界的なエネルギーインパクトを中規模国と同等の水準にまで低減する。
• ブロック生成の安定性やマイナーのインcentiveの整合性を損なわず、この低減を達成する。
• 合理的な攻撃仮定の下で形式的に安全であるため、攻撃者がシステムを利益をもって侵害することはできない。