[論文レビュー] On Bitcoin and Red Balloons

Moshe Babaioff, Shahar Dobzinski+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2011

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 7被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、報酬獲得のための競争によってノードが取引を中継する動機を失うという、ビットコインの取引プロパゲーションメカニズムにおける根本的なインcentiveの不整合を特定する。著者らは、繰り返し支配戦略の削除を用いて真実のプロパゲーションを奨励する、シビル攻撃に強い報酬スキームを提案し、無料乗車を排除しながら低コストで、偽のアイデンティティ攻撃に対しても耐性を持つことを証明する。

ABSTRACT

Many large decentralized systems rely on information propagation to ensure their proper function. We examine a common scenario in which only participants that are aware of the information can compete for some reward, and thus informed participants have an incentive not to propagate information to others. One recent example in which such tension arises is the 2009 DARPA Network Challenge (finding red balloons). We focus on another prominent example: Bitcoin, a decentralized electronic currency system. Bitcoin represents a radical new approach to monetary systems. It has been getting a large amount of public attention over the last year, both in policy discussions and in the popular press. Its cryptographic fundamentals have largely held up even as its usage has become increasingly widespread. We find, however, that it exhibits a fundamental problem of a different nature, based on how its incentives are structured. We propose a modification to the protocol that can eliminate this problem. Bitcoin relies on a peer-to-peer network to track transactions that are performed with the currency. For this purpose, every transaction a node learns about should be transmitted to its neighbors in the network. The current implemented protocol provides an incentive to nodes to not broadcast transactions they are aware of. Our solution is to augment the protocol with a scheme that rewards information propagation. Since clones are easy to create in the Bitcoin system, an important feature of our scheme is Sybil-proofness. We show that our proposed scheme succeeds in setting the correct incentives, that it is Sybil-proof, and that it requires only a small payment overhead, all this is achieved with iterated elimination of dominated strategies. We complement this result by showing that there are no reward schemes in which information propagation and no self-cloning is a dominant strategy.

研究の動機と目的

• 報酬獲得のための競争によってノードが取引を中継する動機を失うという、ビットコインにおけるインcentive問題を特定・形式化すること。
• ビットコインのような分散型システムにおいて、真実の情報伝達を奨励する報酬メカニズムを設計すること。
• 攻撃者が偽のアイデンティティを生成してシステムを悪用するのを防ぐ、シビル攻撃に強いメカニズムを保証すること。
• 繰り返し支配戦略の削除を用いて、低コストの支払いオーバーヘッドを維持しながら、強いインcentive互換性を達成すること。
• シビル耐性のあるスキームにおいて、プロパゲーションの支配戦略的インcentiveと重複なしを達成することは不可能であることを証明すること。

提案手法

• ノードがネットワーク内で取引を中継する位置に応じて、早い段階で中継するノードに高い報酬を割り当てる報酬スキームを提案する。
• 階層的な報酬構造を用い、ノードの木構造における深さと分岐係数に応じて報酬を減少させる。深くなるほど報酬が小さくなる。
• 繰り返し支配戦略の削除を適用し、提案されたメカニズム下で真実のプロパゲーションが最適戦略となることを示す。
• ネットワークを深さ H ≥ 3 および分岐係数 d ≥ 3 の木構造としてモデル化し、報酬割合と認識数に基づく効用関数を定義する。
• 任意のノードが、現在のノードのチェーン長より短いチェーン長を持つ子ノードに中継する戦略が、中継しない戦略を支配することを証明する。
• 背理を用いて支配戦略メカニズムの不可能性を示す：報酬互換性を満たすには r₂₃ > 0 が必須であるが、この要件は支配戦略の優位性に矛盾する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルトゥイズムに依存せずに、ビットコインにおけるノードが取引を中継する動機を引き出す報酬メカニズムを設計できるか？
• RQ2 偽のアイデンティティが報酬システムを悪用するのを防ぐ、シビル攻撃に強いメカニズムを作成することは可能か？
• RQ3 このようなメカニズムにより、深さ3以下すべてのノードに対して真実のプロパゲーションが支配戦略となるか？
• RQ4 分散型システムにおける有効な情報伝達を達成するために、最小限のオーバーヘッド（報酬総額）はどの程度必要か？
• RQ5 シビル攻撃を受けたネットワークにおいて、情報伝達のための支配戦略メカニズムを設計することは、根本的に不可能な制限があるか？

主な発見

• 提案された報酬メカニズムは、繰り返し支配戦略の削除を用いて真実の取引プロパゲーションを効果的に奨励し、中継が最適戦略となることを保証する。
• 攻撃者が複数の偽のアイデンティティを生成しても利点を得られないため、このメカニズムはシビル攻撃に強い。
• 報酬の総オーバーヘッドは有界で小さく、スキームは唯一7つのシードと 2β⁻¹ + 6d·A(yₕ) + 6 個の追加ノードを必要とし、支配的状態を保証する。
• 論文は、H ≥ 3 の場合、シビル耐性のあるシステムにおいて、情報伝達と重複なしの支配戦略的メカニズムが存在しないことを証明する。
• 任意のシビル耐性メカニズムにおいて、r₂₃ > 0 が必須であるという必要条件が存在する。これは、深さ3のノードが取引を承認する際に、深さ2のノードに報酬を与える必要があることを意味する。
• 不可能性証明における矛盾は、r₂₃ > 0 を要求することで非重複戦略の支配性が破られるため生じる。これにより、支配戦略が達成できないことが示される。