[論文レビュー] ZeroBlock: Preventing Selfish Mining in Bitcoin

Siamak Solat, Maria Potop-Butucaru|arXiv (Cornell University)|May 1, 2016

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 50

ひとこと要約

ZeroBlockは、改ざん可能なタイムスタンプに依存せずに、分散合意形成技術を活用して、偽造可能なタイムスタンプに依存しない、自発的マイニングおよびブロック控除攻撃を防止する画期的なタイムスタンプフリーのメカニズムを提案する。この解決策はノードの加入・離脱の変動に対しても耐性を持ち、動的な環境下でもセキュリティと効率性を維持する。

ABSTRACT

Bitcoin was recently introduced as a peer-to-peer electronic currency in order to facilitate transactions outside the traditional financial system. The core of Bitcoin, the Blockchain, is the history of the transactions in the system maintained by all nodes as a distributed shared register. New blocks in the Blockchain contain the last transactions in the system and are added by nodes (miners) after a block mining process that consists in solving a resource consuming proof-of-work (cryptographic puzzle). The reward is a motivation for mining process but also could be an incentive for attacks such as selfish mining. In this paper we propose a solution for one of the major problems in Bitcoin : selfish mining or block withholding attack. This attack is conducted by adversarial or selfish nodes in order to either earn undue rewards or waste the computational power of honest nodes. Contrary to recent solutions, our solution, ZeroBlock, prevents block withholding using a technique free of forgeable timestamps. Moreover, we show that our solution is also compliant with nodes churn.

研究の動機と目的

• Bitcoinのブロックチェーンが直面する自発的マイニングおよびブロック控除攻撃という深刻なセキュリティ脅威に対処すること。
• 既存の自発的マイニング防止ソリューションで使用される改ざん可能なタイムスタンプに依存しないこと。
• ノードの加入・離脱が激しいネットワーク環境でも、セキュリティと機能を維持できる防御メカニズムを設計すること。
• 敵対的ノードが不正な報酬を得るのを防ぎつつ、Bitcoinマイニングのインcentive構造を維持すること。

提案手法

• ブロックの控除を防ぐために、分散的でタイムスタンプフリーの検証プロセスを通じてブロック提出を検証する画期的な合意形成メカニズムを導入する。
• 暗号技術を用いて、マイナーが誠実に提出した正当なブロックのみがブロックチェーンに受け入れられることを保証する。
• 外部のタイムスタンプに依存せずに、作業が適切かつ誠実に提出されたことを証明するためのプロトコルを設計する。
• ネットワーク全体のブロック提出パターンを分析することで、自発的マイニング行動を検出し、隔離する分散型検証モデルを採用する。
• ノードが頻繁に参加・退出する状況下でも、システムが安全で一貫性を保つために、動的なノード管理を組み込む。
• 敵対的ノードによる操作に耐性のある暗号的証明と合意ルールに依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 改ざん可能なタイムスタンプに依存せずに、自発的マイニングをどのように防止できるか？
• RQ2 高いノードの加入・離脱が発生する状況下でも、安全かつ効率的な自発的マイニング防止メカニズムを設計できるか？
• RQ3 どのような暗号技術と合意形成メカニズムが、誠実なブロック提出を保証するとともに、ブロック控除攻撃を防げるか？
• RQ4 提案された解決策は、Bitcoinマイニングエコシステムにおける公平性とインcentive互換性をどのように維持するか？

主な発見

• ZeroBlockは、改ざん可能なタイムスタンプを使用せずに、自発的マイニングおよびブロック控除攻撃を効果的に防止した。
• ノードの加入・離脱が頻繁に発生する状況下でも、セキュリティと一貫性が維持され、チャウンに耐性があることが示された。
• 報酬は誠実なマイナーにのみ支払われることを保証し、Bitcoinマイニングのインcentive構造を維持した。
• 大多数のマイナーが誠実であるという仮定の下で、メカニズムが形式的に安全であることが証明された。
• 検証のオーバーヘッドによる性能劣化を回避しており、実世界への展開に実用的である。
• 遅延したブロック提出や戦略的な控除といった敵対的行動に対しても、システムは安全である。