[論文レビュー] StrongChain: Transparent and Collaborative Proof-of-Work Consensus

Paweł Szałachowski, Daniël Reijsbergen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 34被引用数 25

ひとこと要約

StrongChainは、弱い解（有効ではあるがブロックを確定させないPoWパズル）を活用することで、Bitcoinに類似したブロックチェーンにおけるセキュリティ、効率性、分散性を向上させる、透明で協働的なプルーフ・オブ・ワーク（PoW）合意形成メカニズムを提案する。マイナーが弱い解を共有・追加することを奨励することで、報酬のばらつきを低減し、マイニングプールの形成を抑制するとともに、ブロックチェーンの新鮮性を向上させる。実装により、その効率性と導入可能性が確認された。

ABSTRACT

Bitcoin is the most successful cryptocurrency so far. This is mainly due to its novel consensus algorithm, which is based on proof-of-work combined with a cryptographically-protected data structure and a rewarding scheme that incentivizes nodes to participate. However, despite its unprecedented success Bitcoin suffers from many inefficiencies. For instance, Bitcoin's consensus mechanism has been proved to be incentive-incompatible, its high reward variance causes centralization, and its hardcoded deflation raises questions about its long-term sustainability. In this work, we revise the Bitcoin consensus mechanism by proposing StrongChain, a scheme that introduces transparency and incentivizes participants to collaborate rather than to compete. The core design of our protocol is to reflect and utilize the computing power aggregated on the blockchain which is invisible and "wasted" in Bitcoin today. Introducing relatively easy, although important changes to Bitcoin's design enables us to improve many crucial aspects of Bitcoin-like cryptocurrencies making it more secure, efficient, and profitable for participants. We thoroughly analyze our approach and we present an implementation of StrongChain. The obtained results confirm its efficiency, security, and deployability.

研究の動機と目的

• マイニングプールによる中央集権化を引き起こす、Bitcoinのインcentive不適合性と高い報酬ばらつきを是正する。
• マイナー間の透明性と協働性を高めることで、Sybil攻撃および51%攻撃のリスクを低減する。
• 報酬メカニズムを再設計することで、デフレ圧力を緩和し、長期的な持続可能性を向上させる。
• 合意形成の一部として弱い解を活用することで、ブロックチェーンの新鮮性と収束速度を向上させる。
• 既存のPoWブロックチェーンに最小限の変更で段階的に導入可能なプロトコルを設計する。

提案手法

• ブロックを確定させないが有効なPoWパズル（弱い解）をブロックチェーンプロトコルに導入する。
• 強いつながり（確定）する解だけでなく、弱いつながりの解を発見・共有したマイナーに対しても報酬を与える。
• 弱いつながりの解と強いつながりの解の両方を即座に発表するインcentiveを提供する報酬メカニズムを設計し、システムの透明性を向上させる。
• 弱いつながりの解を受容・伝搬できるようにブロックチェーンの検証プロセスを変更し、それらをセキュリティと進行状況モデルに統合する。
• 暗号ハッシュ関数とターゲットしきい値を用いて弱いつながりの解と強いつながりの解を定義し、Bitcoinの既存のPoW構造と互換性を保つ。
• 累積的な弱いつながりの解の量が大きいチェーンを優先する合意ルールを設計し、セキュリティと公平性を強化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイナー同士の競争ではなく協働を促進するように、PoW合意形成メカニズムを再設計することは可能か？
• RQ2 弱いつながりの解をブロックチェーン合意形成に意味的に統合するにはどうすればよいか？ これによりセキュリティと効率性がどのように向上するか？
• RQ3 協働的マイニングインセンティブを導入することで、Bitcoinに類似したシステムにおける報酬ばらつきはどの程度低減可能か？
• RQ4 従来のNakamoto合意と比較して、弱いつながりの解の導入はブロックチェーンの新鮮性と収束速度を向上させるか？
• RQ5 提案されたスキームは、後方互換性を損なわずに、既存のPoWブロックチェーンに段階的に導入可能か？

主な発見

• StrongChainは、弱いつながりの解と強いつながりの解の両方にインセンティブを分配することで報酬のばらつきを低減し、マイニングプールの必要性を軽減し、中央集権化リスクを低減する。
• 弱いつながりの解の迅速な伝達と検証を可能にすることで、ブロックチェーンの新鮮性が向上し、合意形成の収束が速やかに進行する。
• 実装結果により、StrongChainは効率的かつ導入可能であることが確認され、既存のBitcoinに類似したプロトコルへの変更が最小限で済むことが示された。
• 協働的インセンティブ構造のおかげで、自己利益を狙ったマイニングやプールベースの共謀攻撃に対して、証明可能な高いセキュリティ性が得られる。
• 従来のマイニングプールとは異なり、StrongChainはゼロサムダイナミクスを生じさせない。むしろ、協働により全体のシステムおよびマイナーの利益が増加する。
• BitcoinのPoW構造と後方互換性を保ちながら、透明性と分散性を著しく向上させる。