[논문 리뷰] On Cyber Risk Management of Blockchain Networks: A Game Theoretic Approach

Shaohan Feng, Wenbo Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 27.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 35인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 사이버 리스크 관리의 게임 이론적 프레임워크를 제안하며, 사이버 보험과 능동적 인프라 투자를 통합한다. 블록체인 제공자, 보험사, 사용자 간의 상호작용을 이중 수준의 스택엘베르크 게임으로 모델링하여, 최적의 보안을 달성하기 위해서는 채굴 능력 투자와 보험료 간의 균형을 이루어야 하며, 공격자 계산 능력이 높아질수록 비용과 보험료가 증가하고, 블록 크기는 투자 유인과 공격 성공 확률에 영향을 준다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Open-access blockchains based on proof-of-work protocols have gained tremendous popularity for their capabilities of providing decentralized tamper-proof ledgers and platforms for data-driven autonomous organization. Nevertheless, the proof-of-work based consensus protocols are vulnerable to cyber-attacks such as double-spending. In this paper, we propose a novel approach of cyber risk management for blockchain-based service. In particular, we adopt the cyber-insurance as an economic tool for neutralizing cyber risks due to attacks in blockchain networks. We consider a blockchain service market, which is composed of the infrastructure provider, the blockchain provider, the cyber-insurer, and the users. The blockchain provider purchases from the infrastructure provider, e.g., a cloud, the computing resources to maintain the blockchain consensus, and then offers blockchain services to the users. The blockchain provider strategizes its investment in the infrastructure and the service price charged to the users, in order to improve the security of the blockchain and thus optimize its profit. Meanwhile, the blockchain provider also purchases a cyber-insurance from the cyber-insurer to protect itself from the potential damage due to the attacks. In return, the cyber-insurer adjusts the insurance premium according to the perceived risk level of the blockchain service. Based on the assumption of rationality for the market entities, we model the interaction among the blockchain provider, the users, and the cyber-insurer as a two-level Stackelberg game. Namely, the blockchain provider and the cyber-insurer lead to set their pricing/investment strategies, and then the users follow to determine their demand of the blockchain service. Specifically, we consider the scenario of double-spending attacks and provide a series of analytical results about the Stackelberg equilibrium in the market game.

연구 동기 및 목표

• 작업 증명 블록체인의 이중 지불 공격에 대한 보안 취약점을 해결하기 위해.
• 능동적 인프라 투자와 수동적 사이버 보험을 조합한 경제적 리스크 관리 프레임워크를 설계하기 위해.
• 시장 환경에서 블록체인 제공자, 사이버 보험사, 사용자 간의 전략적 상호작용을 모델링하기 위해.
• 합리적 행동과 리스크 조정 가격 기반의 균형 전략을 분석하기 위해.
• 공격자 능력과 블록 크기가 시장 결과와 보안 유인에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 블록체인 서비스 시장을 블록체인 제공자와 보험사가 리더로, 사용자가 팔로워로 참여하는 이중 단계 스택엘베르크 게임으로 모델링한다.
• 보험사가 공격 위험과 블록체인 제공자의 투자 수준을 기반으로 평가된 리스크 조정 보험료 메커니즘을 통합한다.
• 역행 추론(backward induction)를 사용하여 모든 시장 참가자의 균형 전략을 유도한다.
• 공격자 계산 능력과 블록 크기(블록당 거래 수)가 투자, 가격, 수요에 미치는 영향을 분석한다.
• 사용자가 블록체인 서비스를 평가할 때 사회적 외부효과 영향을 통합한다.
• 시장 게임에서 스택엘베르크 균형의 존재성과 유일성을 위한 분석 조건을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공격 위험 하에서 수익을 극대화하기 위해 블록체인 제공자는 인프라 투자와 사이버 보험 구입을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 사이버 보험사는 블록체인 제공자의 위험 프로필과 투자 수준에 따라 보험료를 어떻게 설정하는가?
• RQ3 공격자 계산 능력이 블록체인 제공자, 사용자, 보험사의 균형 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 블록 크기(블록당 거래 수)는 투자 유인과 공격 성공 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 사용자 수요와 서비스 가격은 보안 수준과 인식된 리스크 변화에 어떻게 반응하는가?

주요 결과

• 공격자 계산 능력이 증가할수록 블록체인 제공자는 보안을 유지하기 위해 인프라 투자를 늘려야 하며, 이는 비용 증가와 수익 감소로 이어진다.
• 사이버 보험사는 공격 위험이 높아짐에 따라 보험료를 인상함으로써 안정적인 수익을 유지한다. 이는 블록체인 제공자의 비용 증가에도 불구하고 성립한다.
• 공격자 계산 능력이 높아짐에 따라 사용자 수요는 가격 인하에도 불구하고 감소한다. 이는 인식된 보안 수준이 낮아지기 때문이다.
• 더 큰 블록 크기(예: 300건)는 공격 성공 확률이 공격자 계산 능력 증가에 따라 민감도가 낮아지며, 보험료 인상률을 낮춘다.
• 공격자 계산 능력이 높아질수록 블록체인 제공자의 인프라 투자 비율(h*/(a + h*))은 감소하여, 공격 능력 증가에 따라 투자 수익성이 떨어지는 경향을 보인다.
• 더 높은 블록 크기에서는 더 높은 채굴 보상과 블록당 보상으로 인해 블록체인 제공자가 인프라 투자에 더 강한 유인을 가진다.