[論文レビュー] On the Preliminary Investigation of Selfish Mining Strategy with Multiple Selfish Miners

Tin Leelavimolsilp, Tran-Thanh, Long+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、複数のマイナーが独立して戦略を採用する場合のビットコインにおける自己利益的マイニングを調査し、現実のマイニングをよりよく反映する並行処理を考慮したモデルを提案する。その結果、自己利益的マイニングの有効性を示す最小マイニングパワー閾値は、自己利益的マイナーの数に比例して低下し、全自己利益的マイナーが誠実なマイニングに切り替えないまま、全員が割合以上の報酬を得るナッシュ均衡が存在することが判明した。

ABSTRACT

Eyal and Sirer's selfish mining strategy has demonstrated that Bitcoin system is not secure even if 50% of total mining power is held by altruistic miners. Since then, researchers have been investigating either to improve the efficiency of selfish mining, or how to defend against it, typically in a single selfish miner setting. Yet there is no research on a selfish mining strategies concurrently used by multiple miners in the system. The effectiveness of such selfish mining strategies and their required mining power under such multiple selfish miners setting remains unknown. In this paper, a preliminary investigation and our findings of selfish mining strategy used by multiple miners are reported. In addition, the conventional model of Bitcoin system is slightly redesigned to tackle its shortcoming: namely, a concurrency of individual mining processes. Although a theoretical analysis of selfish mining strategy under this setting is yet to be established, the current findings based on simulations is promising and of great interest. In particular, our work shows that a lower bound of power threshold required for selfish mining strategy decreases in proportion to a number of selfish miners. Moreover, there exist Nash equilibria where all selfish miners in the system do not change to an honest mining strategy and simultaneously earn their unfair amount of mining reward given that they equally possess sufficiently large mining power. Lastly, our new model yields a power threshold for mounting selfish mining strategy slightly greater than one from the conventional model.

研究の動機と目的

• 複数のマイナーが同時に戦略を採用する状況における自己利益的マイニングの有効性を調査すること。これは先行研究では未調査の状況である。
• 従来のビットコインモデルが逐次的マイニングを仮定しており、独立したマイニングプロセスの現実の並行処理を捉えられていないという限界を是正すること。
• 複数の自己利益的マイナーが存在する状況下でも、自己利益的マイニングが維持可能であるか、またその場合に必要なマイニングパワー閾値がどの程度かを特定すること。
• 自己利益的マイナーが誠実なマイニングに切り替えないまま、集団的に不平等な報酬を得るナッシュ均衡が存在し、それが安定しているかを分析すること。
• 従来の理論的パワー閾値が、単純化されたモデル仮定のため、低く見積もられているかどうかを評価すること。

提案手法

• マイナーが個別にローカルブロックチェーンを構築・拡張する、並行処理を考慮した修正されたビットコインモデルを提案する。
• 自己利益的マイナーと誠実なマイナーのさまざまな構成における報酬分配を評価するため、シミュレーションベースのアプローチを導入する。
• 繰り返し実験（100～200回）を実施するモンテカルロシミュレーションを用い、平均報酬と95％信頼区間を推定する。
• 新規の並行処理を考慮したモデルと従来モデルの結果を比較し、パワー閾値推定値の乖離を評価する。
• ヒートマップとラインプロットを用いて、さまざまなマイニングパワー割り当てにおける報酬結果を可視化する。
• 自己利益的マイナーが等しいまたは異なるマイニングパワーを持つ場合の配置をテストし、高パワー水準下での安定性を評価することで、均衡条件を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の自己利益的マイナーが共存する場合、自己利益的マイナーが不正な報酬を得るための最小マイニングパワー閾値はどのように変化するか？
• RQ2 複数の自己利益的マイナーが同時に、割合以上の報酬を得るナッシュ均衡が成立する条件は何か？
• RQ3 個々のマイニングプロセスの並行処理は、従来モデルと比較して、自己利益的マイニングの推定パワー閾値にどのように影響するか？
• RQ4 自己利益的マイナー間でマイニングパワーが均等に分配された場合、報酬分配の安定性と公平性にどのような影響があるか？
• RQ5 自己利益的マイニングに対する完全な防御に必要なセキュリティ閾値（つまり、マイニングパワー）は、自己利益的マイナーの数に関係なく一定のままであるか？

主な発見

• 自己利益的マイナーが不正な報酬を得るための最小マイニングパワー閾値は、システム内の自己利益的マイナー数に比例して低下する。
• 自己利益的マイナーが十分に大きくかつ等しいマイニングパワーを持つ場合、全員が誠実なマイニングに切り替えないまま、同時に割合以上の報酬を得るナッシュ均衡が存在する。
• 自己利益的マイニングのパワー閾値の上限は、自己利益的マイナーの数に関係なく常に0.5のままである。
• 新規の並行処理を考慮したモデルでは、従来モデルよりもわずかに高いパワー閾値が得られ、これにより従来の推定値が過小評価されている可能性がある。
• 自己利益的マイナーのマイニングパワーが0.33を超える場合、報酬結果は不安定になり、パワーが0.43を超えると、割合以上の報酬を下回る可能性がある。
• 誠実なマイナーが合計マイニングパワーの47％以下である限り、複数の自己利益的マイナーが存在する状況でも、システムは完全に自己利益的マイニングに対して脆弱である。