[논문 리뷰] Greedy but Cautious: Conditions for Miner Convergence to Resource Allocation Equilibrium

George Bissias, Brian Neil Levine외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 19.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 13인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 동일한 작업증명(PoW) 알고리즘을 사용하는 두 블록체인 간에 자원 할당 평형 모델을 제안하며, 이는 이윤을 극대화하려는 그러나 신중한 채굴자들이 상대적인 코인 보상에 의해 이끄는 유일한 평형으로 수렴함을 보여준다. 이 평형은 안정적이고 예측 가능하며, 채굴자가 지나치게 이윤을 추구할 경우에만 진동이 발생한다.

ABSTRACT

All public blockchains are secured by a proof of opportunity cost among block producers. For example, the security offered by proof-of-work (PoW) systems, like Bitcoin, is due to spent computation; it is work precisely because it cannot be performed for free. In general, more resources provably lost in producing blocks yields more security for the blockchain. When two blockchains share the same mechanism for providing opportunity cost, as is the case when they share the same PoW algorithm, the two chains compete for resources from block producers. Indeed, if there exists a liquid market between resource types, then theoretically all blockchains will compete for resources. In this paper, we show that there exists a resource allocation equilibrium between any two blockchains, which is essentially driven by the fiat value of reward that each chain offers in return for providing security. We go on to prove that this equilibrium is singular and always achieved provided that block producers behave in a greedy, but cautious fashion. The opposite is true when they are overly greedy: resource allocation oscillates in extremes between the two chains. We show that these results hold both in practice and in a block generation simulation. Finally, we demonstrate several applications of this theory including a trustless price-ratio oracle, increased security for blockchains whose coins have lower fiat value, and a quantification of cost to allocating resources away from the equilibrium.

연구 동기 및 목표

• 동일한 채굴 알고리즘을 공유하는 두 개의 PoW 블록체인 간에 안정적인 해시레이트 할당 평형을 수학적으로 정의하는 것.
• 채굴자가 이윤을 극대화하려 하지만 신중한 행동을 할 경우 이 평형으로 수렴하는 조건을 규명하는 것, 특히 그러한 행동이 평형 수렴에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 이 평형 모델을 서로 다른 PoW 알고리즘을 사용하는 블록체인 및 효율적인 해시레이트 시장이 존재하는 PoW-PoS 하이브리드 시스템으로 확장하는 것.
• 실제 블록체인 데이터와 시뮬레이션을 통해 이론적 예측을 실증적으로 검증하는 것.
• 신뢰할 수 없는 가격 오라클 및 소수 블록체인의 보안 비용 측정 등 실용적 응용 가능성을 제시하는 것.

제안 방법

• 코인베이스 보상의 상대적 법정화폐 가치를 기반으로 한 자원 할당 평형을 정의하며, 채굴자 행동을 수익 극대화 전략으로 모델링하고, 난이도 조정 보상 지수(DARI) 유사 지표를 사용한다.
• 게임 이론적 분석을 통해 반복적인 채굴 결정의 동적 분석을 수행하여, 채굴자가 이윤 극대화이지만 신중한 행동을 할 경우 평형이 유일하고 안정적임을 증명한다.
• 다양한 보상 비율 하에서 두 체인 간 해시레이트 이동의 동역학을 모델링하여, 채굴자가 지나치게 이윤을 추구할 경우 진동 행동이 발생함을 보여준다.
• BTC/BCH 및 ETH/ETC의 역사적 데이터를 사용하여 이론적 예측의 정확성을 검증하며, 이론과 실질 데이터 간 강력한 일치를 보여준다.
• 블록 생성 동역학을 시뮬레이션하여, 채굴자 인센티브 조건에 따라 수렴 및 발산 행동이 어떻게 발생하는지 확인한다.
• 해시레이트 또는 스테이크에 대한 효율적 시장이 존재할 경우, 평형을 서로 다른 PoW 알고리즘 및 PoW/PoS 시스템으로 일반화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 알고리즘을 공유하는 두 개의 PoW 블록체인 간에 채굴자가 안정적인 해시레이트 할당 평형으로 수렴하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 채굴자의 행동, 특히 이윤 극대화이지만 신중한 행동 또는 지나치게 이윤을 추구하는 행동이 자원 할당의 안정성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 이 평형 모델은 서로 다른 PoW 알고리즘을 사용하는 블록체인 또는 PoS 시스템으로까지 확장 가능한가?
• RQ4 실제 채굴자 행동은 역사적 데이터에서 예측된 평형과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 이러한 평형이 존재함으로써 블록체인 시스템에서 유용한 실용적 응용은 무엇이 가능한가?

주요 결과

• 채굴자가 이윤 극대화이지만 신중한 행동을 할 경우, 동일한 알고리즘을 공유하는 두 개의 PoW 블록체인 간에 고유하고 안정적인 해시레이트 할당 평형이 존재하며, 이는 Kwon 등(2017)이 기술한 나시 평형 중 하나와 일치한다.
• 채굴자가 지나치게 이윤을 추구할 경우, 해시레이트 할당은 두 체인 간에 진동하며 평형으로 수렴하지 못한다.
• BTC/BCH 및 ETH/ETC의 실증 데이터는 이론적 평형과 강력한 일치를 보이며, 이는 모델의 실세계 적용 가능성을 검증한다.
• 시뮬레이션 결과는 채굴자가 이윤 극대화이지만 신중한 행동을 할 경우 평형에 도달하며, 지나친 이윤 추구 시에는 발산됨을 확인한다.
• 해시레이트 또는 스테이크에 대한 효율적 시장이 존재할 경우, 평형은 서로 다른 PoW 알고리즘 및 PoW/PoS 시스템으로 일반화될 수 있다.
• 평형점 초과에 대한 충성도 있는 채굴은 코인베이스 보상에 비례하는 선형 재정 비용을 초래하며, 이는 장기적으로 소수 블록체인을 지지하는 것을 저해한다.