[논문 리뷰] A Deep Dive into Blockchain Selfish Mining

Qianlan Bai, Xinyan Zhou외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 01.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다수의 공모하는 채굴 풀을 가진 블록체인에서 이기적 채굴을 분석하기 위해 마르코프 체인 기반 모델을 제안한다. 두 명의 이기적 채굴자가 대칭일 경우 최소 수익성 있는 해시 속도가 21.48%로 감소하지만, 비대칭 조건에서는 증가한다. 또한 22%의 해시 속도에서 수익성 도달까지 최대 714일(51라운드)의 지연이 필요하며, 33%일 경우 이는 70일(5라운드)으로 감소한다.

ABSTRACT

This paper studies a fundamental problem regarding the security of blockchain on how the existence of multiple misbehaving pools influences the profitability of selfish mining. Each selfish miner maintains a private chain and makes it public opportunistically for the purpose of acquiring more rewards incommensurate to his Hashrate. We establish a novel Markov chain model to characterize all the state transitions of public and private chains. The minimum requirement of Hashrate together with the minimum delay of being profitable is derived in close-form. The former reduces to 21.48% with the symmetric selfish miners, while their competition with asymmetric Hashrates puts forward a higher requirement of the profitable threshold. The profitable delay increases with the decrease of the Hashrate of selfish miners, making the mining pools more cautious on performing selfish mining.

연구 동기 및 목표

• 다수의 이기적 채굴 풀 존재가 이기적 채굴의 수익성 임계값에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 블록체인 난이도 조정의 영향을 포함한 이기적 채굴의 일시적 행동을 모델링하는 것.
• 다수의 부정행위하는 풀이 존재하는 경쟁 환경에서 이기적 채굴이 수익성이 있도록 필요한 최소 해시 속도를 결정하는 것.
• 실세계 블록체인(비트코인 등)의 동적 난이도 조정을 고려하여 수익성 도달까지의 시간 지연을 분석하는 것.

제안 방법

• 다수의 채굴 환경에서 공개 체인과 비공개 체인 간 상태 전이를 기록하기 위해 새로운 마르코프 체인 모델을 개발한다.
• 협력하지 않는 두 명의 이기적 채굴 풀(Alice와 Bob)과 한 명의 정직한 채굴 풀(Henry)을 포함한 시스템을 모델링한다.
• 체인 상태의 정적 분포와 이에 따른 이기적 채굴자들의 수익 배분 비율에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 실세계의 시간 지연을 모델링하기 위해 전이 분석에 블록체인 난이도 조정을 통합한다.
• 수학적 분석과 시뮬레이션을 통해 이론적 임계값과 수익 동적 변화를 검증한다.
• 대칭 및 비대칭 조건 하에서 안정적인 수익성 있는 해시 속도 임계값을 결정하기 위해 수렴 분석을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 이기적 채굴 풀 존재가 이기적 채굴의 수익성 도달을 위한 최소 해시 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 난이도 조정을 고려할 때 이기적 채굴이 수익성을 얻기까지의 일시적 지연 시간은 얼마인가?
• RQ3 이기적 채굴자 간의 해시 속도 비대칭성이 수익성 임계값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 긴 비공개 체인이 감지 위험과 수익에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다중 풀 이기적 채굴의 맥락에서 난이도 조정 메커니즘이 악용되거나 완화될 수 있는가?

주요 결과

• 두 대칭적인 이기적 채굴자에 대해 최소 수익성 해시 속도는 마르코프 체인 모델링을 통해 유도된 폐쇄형 표현식으로 21.48%이다.
• 이기적 채굴자 간 해시 속도가 비대칭일 경우, 경쟁 심화로 인해 수익성 임계값이 증가한다.
• 각 이기적 채굴자가 총 해시 속도의 22%를 점유할 경우, 수익성 도달까지 51라운드(비트코인 기준 714일)의 지연이 필요하다.
• 각 이기적 채굴자의 해시 속도가 33%로 증가할 경우, 수익성 지연은 5라운드(70일)로 크게 감소한다.
• 해시 속도에 관계없이 첫 번째 난이도 조정 주기 동안 이기적 채굴은 비효율적이지만, 몇 차례의 조정 사이클 이후 수익성이 된다.
• 모델은 상대적 및 절대적 수익 측정치가 허용 가능한 오차 범위 내에서 동일하므로 이론적 접근 방식을 검증한다.