[論文レビュー] Optimizing Governed Blockchains for Financial Process Authentications

Leif-Nissen Lundbæk, Andrea Callia D’Iddio+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、暗号通貨インセンティブのない、組織所有のプライベートブロックチェーン（管理型ブロックチェーン）を対象として、金融プロセス監査における信頼性を向上させるための数学的最適化フレームワークを提案する。Proof of Workを混合整数非線形プログラミング（MINLP）問題としてモデル化することで、セキュリティ、コスト、可用性、レジリエンスのバランスを取った最適な暗号的パズルパラメータを導出し、実用的インスタンスにおける統計的・実験的分析によって検証している。

ABSTRACT

We propose the formal study of governed blockchains that are owned and controlled by organizations and that neither create cryptocurrencies nor provide any incentives to solvers of cryptographic puzzles. We view such approaches as frameworks in which system parts, such as the cryptographic puzzle, may be instantiated with different technology. Owners of such a blockchain procure puzzle solvers as resources they control, and use a mathematical model to compute optimal parameters for the cryptographic puzzle mechanism or other parts of the blockchain. We illustrate this approach with a use case in which blockchains record hashes of financial process transactions to increase their trustworthiness and that of their audits. For Proof of Work as cryptographic puzzle, we develop a detailed mathematical model to derive MINLP optimization problems for computing optimal Proof of Work configuration parameters that trade off potentially conflicting aspects such as availability, resiliency, security, and cost in this governed setting. We demonstrate the utility of such a mining calculus by solving some instances of this problem. This experimental validation is strengthened by statistical experiments that confirm the validity of random variables used in formulating our mathematical model. We hope that our work may facilitate the creation of domain-specific blockchains for a wide range of applications such as trustworthy information in Internet of Things systems and bespoke improvements of legacy financial services.

研究の動機と目的

• 従来の二重簿記が操作に対して脆弱であるため、法的・コンプライアンス要件と技術的実装の間のギャップを解消すること。
• ビットコインのような分散型ブロックチェーンがインセンティブ駆動のマイニングに依存しており、ゲーム理論的リスクと高い運用コストを抱えるという限界を克服すること。
• 組織が制御するブロックチェーンにおける暗号的パズルの設定を、形式的かつ数学的根拠に基づいたフレームワークとして設計すること、特に暗号通貨を用いないユースケースに焦点を当てる。
• コスト、可用性、レジリエンスといった現実世界の制約を反映した、ブロックチェーンパラメータ（例：難易度、nonce空間、マイナー数）の正確で定量的な設定を可能にすること。
• 金融サービスやIoT分野におけるドメイン特化型ブロックチェーンの展開を支援するため、信頼できる取引記録を実現する、検証可能で解析可能な設計手法を提供すること。

提案手法

• ハッシュ関数のランダムオракルモデル（ROM）を用いて、管理型ブロックチェーンにおける暗号的パズルの解決プロセスをモデル化し、パズル解決時間の確率的分析を可能にする。
• nonce空間のサイズ、難易度、マイナー数を含むブロックチェーン設定パラメータの最適化を目的とした混合整数非線形プログラミング（MINLP）定式化を構築する。
• 最大ブロック作成時間、同時に解決される確率が低いこと、パズルソルバの障害に耐性があることといった、システムレベルの要件を満たす制約を組み込む。
• 部分的障害に対するレジリエンスをモデル化するためのレジリエンス最適化を採用し、攻撃的または故障した状態でもシステムの可用性を確保する。
• 統計的実験を用いて、数学的モデルにおける入力変数のランダム性と独立性を検証し、最適化フレームワークの信頼性を保証する。
• ANTIGONE、BARON、SCIPといった標準的なグローバルMINLPソルバが妥当なモデルでは妥当性チェックに失敗する問題を克服するため、実用的ブロックチェーンサイズを想定したカスタムアルゴリズムを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 管理型ブロックチェーンにおける暗号的パズルパラメータを、セキュリティ、コスト、可用性、レジリエンスといった対立する目標をバランスさせるために、どのように数学的に最適化できるか？
• RQ2 マイナー数、nonce空間サイズ、パズル難易度を変化させた場合、新しいブロック作成に要する期待時間とシステムのレジリエンスにどのような影響を与えるか？
• RQ3 ROMに基づく形式的数学モデルは、現実世界の制約下で管理型PoWシステムの挙動を正確に表現・予測できるか？
• RQ4 動的変更管理（例：マイニング能力のスケーリング、エネルギー価格変動への適応）をモデルがどのように支援できるか？
• RQ5 統計的検証は、最適化モデルに使用される確率変数の正しさをどの程度確認できるか？

主な発見

• 提案されたMINLPモデルは、管理型ブロックチェーンにおけるブロックチェーンパラメータの最適化を的確に定式化し、セキュリティ、コスト、可用性、レジリエンスのトレードオフを可能にした。
• 統計的実験により、モデルに使用された確率変数の妥当性が確認され、最適化フレームワークにおける確率的仮定の信頼性が裏付けられた。
• カスタムアルゴリズムは、実用的インスタンスのMINLP問題を正常に解釈し、ANTIGONE、BARON、SCIPといった標準的なグローバルMINLPソルバが妥当なモデルでも妥当性チェックに失敗する問題を克服した。
• モデルは、レジリエンスを向上させるために必要な新たなマイナー数の算出や、エネルギーコスト変動への対応といった、形式的最適化に基づく動的設定意思決定を可能にした。
• フレームワークは、マイニング能力のスケーリングや運用上の変化への対応といった、管理型ブロックチェーンにおける変更管理を支援する。
• 本アプローチは、金融監査記録やIoTデータの完全性など、信頼性と監査可能性が重要だが暗号通貨インセンティブが不要なドメイン特化ユースケースに適用可能である。