[논문 리뷰] Bobtail: A Proof-of-Work Target that Minimizes Blockchain Mining Variance (Draft)

George Bissias, Brian Neil Levine|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 25.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 14인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 기존 시스템에서 단일 최소 해시(k=1)를 사용하는 것과 달리, k개의 최소 순서 통계값의 평균을 사용함으로써 블록체인 간 블록 간격의 변동성을 줄이는 새로운 작업 증명(PoW) 마이닝 프로토콜인 Bobtail을 제안한다. k를 증가시킴으로써 더블스펜드 및 실선 마이닝 공격의 성공 확률을 크게 감소시키며, 예를 들어 k≥40일 경우 40% 공격자의 성공 확률은 53%에서 1% 미만으로 떨어진다. 이는 평균 블록 간격을 유지하고 기록된 블록 수를 최소화하면서도 성능을 유지한다.

ABSTRACT

Blockchain systems are designed to produce blocks at a constant average rate. The most popular systems currently employ a Proof of Work (PoW) algorithm as a means of creating these blocks. Bitcoin produces, on average, one block every 10 minutes. An unfortunate limitation of all deployed PoW blockchain systems is that the time between blocks has high variance. For example, 5% of the time, Bitcoin's inter-block time is at least 40 minutes. This variance impedes the consistent flow of validated transactions through the system. We propose an alternative process for PoW-based block discovery that results in an inter-block time with significantly lower variance. Our algorithm, called Bobtail, generalizes the current algorithm by comparing the mean of the k lowest order statistics to a target. We show that the variance of inter-block times decreases as k increases. If our approach were applied to Bitcoin, about 80% of blocks would be found within 7 to 12 minutes, and nearly every block would be found within 5 to 18 minutes; the average inter-block time would remain at 10 minutes. Further, we show that low-variance mining significantly thwarts doublespend and selfish mining attacks. For Bitcoin and Ethereum currently (k=1), an attacker with 40% of the mining power will succeed with 30% probability when the merchant sets up an embargo of 8 blocks; however, when k>=20, the probability of success falls to less than 1%. Similarly, for Bitcoin and Ethereum currently, a selfish miner with 40% of the mining power will claim about 66% of blocks; however, when k>=5, the same miner will find that selfish mining is less successful than honest mining. The cost of our approach is a larger block header.

연구 동기 및 목표

• 기존 작업 증명 블록체인에서 높은 블록 간격 변동성이 보안성과 거래 신뢰성에 악영향을 미치는 문제를 해결하기 위해.
• 이러한 변동성을 악용하는 기본적인 공격, 예를 들어 더블스펜드 및 실선 마이닝 공격의 효과를 줄이기 위해.
• 블록 크기나 네트워크 오버헤드를 크게 증가시키지 않으면서도 변동성이 낮은 마이닝 프로토콜을 설계하기 위해.
• 제안된 변동성 감소 메커니즘으로 인해 발생할 수 있는 새로운 공격 벡터를 식별하고 이를 효과적으로 완화하기 위해.
• 최소한의 프로토콜 변경과 인centive-compatible 규칙을 통해 후행 호환성과 실용적 구현을 보장하기 위해.

제안 방법

• 기존 PoW를 일반화하여, 단지 최소값이 아니라 k개의 최소 해시 값의 평균이 목표 t 이하가 되어야 함을 요구한다.
• 프로토콜은 k번째 순서 통계값과 k개의 최소 값의 평균을 복합 마이닝 증명으로 사용하며, 이 평균이 목표 이하일 경우 블록을 발견한다.
• 해당 방법은 이산 균일 분포에서 유도된 순서 통계를 사용하여 분석되며, 구간 [0, S]에서 S = 2^256 - 1이다.
• 블록 발견 시간의 변동성은 해석적으로 유도되었으며, 이는 O(1/k)로 스케일링됨을 보여주며, k가 클수록 변동성이 크게 감소함을 의미한다.
• 수상한 마이너를 방지하기 위해, 보상 메커니즘이 도입되었으며, 이는 마이너 자신의 증명을 우선시하고 도착 순서에 따라 증명을 선택한다.
• 수상한 거래를 방지하기 위해 거래 처리 정책이 제안되었으며, 이는 너무 늦게 도착한 충돌하는 거래를 버리는 방식이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이닝에 사용되는 최소 순서 통계값의 수인 k를 증가시킬 경우, PoW 블록체인의 블록 간격 변동성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 표준 PoW(k=1)에 비해 Bobtail은 더블스펜드 및 실선 마이닝 공격의 성공 확률을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 Bobtail이 도입함으로써 발생할 수 있는 새로운 공격 벡터는 무엇이며, 이를 최소한의 프로토콜 변경으로 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ4 기존 시스템과 비교했을 때 Bobtail은 기록된 블록 비율과 네트워크 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 Bobtail 하에서 내부 마이닝 보류 및 보상 거부 공격을 방지하기 위해 인센티브 호환 규칙를 설계할 수 있는가?

주요 결과

• Bobtail은 표준 PoW(k=1)에 비해 블록 간격의 변동성을 O(1/k)의 비율로 감소시켜, 블록 생성을 크게 안정화시킨다.
• 비트코인과 이더리움 기준으로, 40% 공격자의 더블스펜드 성공 확률은 k=1일 때 53%에서 k≥40일 경우 1% 미만으로 감소한다.
• k≥20일 경우, 네트워크 파wr의 49%를 점유한 실선 마이너는 정상 마이닝이 실선 마이닝보다 수익성이 높다는 것을 발견하여, 이러한 공격에 대한 동기가 사라진다.
• 프로토콜은 비트코인과 동일한 평균 블록 간격 10분을 유지하면서도 실질적으로 블록 간격 변동성을 5~18분으로 줄였다.
• 기록된 블록 비율은 Bobtail 하에서도 증가하지 않으며, 이더넷 공격 및 보류 공격에 대해 강건하다.
• 새로운 내부 마이닝 보류 및 보상 거부 공격은 가능하지만, 단순하고 인센티브 호환성 있는 증명 선택 및 거래 처리 규칙을 통해 효과적으로 완화할 수 있다.