[논문 리뷰] On profitability of selfish mining

Cyril Grunspan, Ricardo Pérez-Marco|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 16.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 5인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 마링게일 이론과 두브 정지 시간 정리(Doob Stopping Time Theorem)를 사용하여 비트코인에서 이기적 마이닝의 수익성에 대해 철저히 분석하며, 난이도 조정 이전에 시간 연장된 공격 주기로 인해 이기적 마이닝이 수익성이 없음을 드러낸다. 이는 이전의 마르코프 기반 모델이 지속 기간을 忽略한 데 기인한 결함을 수정한다. 논문은 이전의 난이도 조정 이후에만 이기적 마이닝 전략이 수익성이 있음을 증명하며, 이는 난이도 조정 알고리즘 자체를 공격하는 전략임을 드러내고, 이에 대비해 '언니(block)' 블록 신호 전송을 포함한 프로토콜 개선안을 제안한다. 이는 이기적 마이닝을 비수익성으로 만들며, 정직한 마이닝과의 인centive 일치를 회복한다.

ABSTRACT

We review the so called selfish mining strategy in the Bitcoin network and compare its profitability to honest mining.We build a rigorous profitability model for repetition games. The time analysis of the attack has been ignored in the previous literature based on a Markov model,but is critical. Using martingale's techniques and Doob Stopping Time Theorem we compute the expected duration of attack cycles. We discover a remarkable property of the bitcoin network: no strategy is more profitable than the honest strategy before a difficulty adjustment. So selfish mining can only become profitable afterwards, thus it is an attack on the difficulty adjustment algorithm. We propose an improvement of Bitcoin protocol making it immune to selfish mining attacks. We also study miner's attraction to selfish mining pools. We calculate the expected duration time before profit for the selfish miner, a computation that is out of reach by the previous Markov models.

연구 동기 및 목표

• 이기적 마이닝의 수익성에 대해 시간을 고려한 엄밀한 분석을 제공하여, 지속 기간을 忽略한 이전의 마르코프 기반 모델의 결함를 수정한다.
• 왜 이기적 마이닝이 난이도 조정 이후에만 수익성이 있는지 밝히며, 이는 난이도 조정 알고리즘 자체를 공격하는 전략임을 드러낸다.
• 오라클 블록(언니) 데이터를 난이도 조정 공식에 통합함으로써 프로토콜 수준의 수정안을 제안하여 이기적 마이닝을 비수익성으로 만든다.
• 수정된 작업 증명 선택 규칙을 통해 장기적인 인센티브 호환성을 확보하고, 마이너 행동을 정직한 마이닝과 일치시킨다.

제안 방법

• 마링게일 기법과 두브 정지 시간 정리를 사용하여 이기적 마이닝 공격 주기의 기대 지속 시간을 계산한다.
• 체인 길이와 네트워크 반응에 기반한 상태 기반 블록 배포 전략을 갖는 확률적 과정으로 공격를 모델링한다.
• 주기 지속 시간과 블록 보상에서 유도된 단위 시간당 평균 수익이라는 새로운 수익성 지표를 도입한다.
• 오라클 블록(언니) 수를 네트워크 해시레이트 추정치에 포함하는 수정된 난이도 조정 공식을 제안한다.
• 더 많은 작업 증명(포함된 언니 포함)을 가진 블록을 우선시하는 네트워크 규칙을 제안하여, 분岐 경쟁에서 정직한 마이닝을 유리하게 한다.
• 이론적 프레임워크를 적용하여 스텁버너 및 트레일 마이닝과 같은 다른 전략을 분석하고, 폐쇄형 수익성 공식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 수익성 주장에도 불구하고, 난이도 조정 이전에 이기적 마이닝이 왜 수익성이 없는가?
• RQ2 이기적 마이닝 공격 주기의 기대 지속 시간을 엄밀하게 계산할 수 있는 방법은 무엇이며, 왜 이는 수익성 평가에 핵심적인가?
• RQ3 시간과 주기 지속 시간을 고려할 때, 이기적 마이닝의 진정한 수익성은 정직한 마이닝 대비 어떻게 되는가?
• RQ4 현재의 난이도 조정 공식은 이기적 마이닝 존재 시 실제 네트워크 해시레이트를 어떻게 반영하지 못하는가?
• RQ5 프로토콜 변경을 통해 이기적 마이닝을 비수익성으로 만들 수 있으며, 비트코인의 인센티브 호환성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 이기적 마이닝은 공격 주기의 기대 지속 시간이 너무 길어 난이도 조정 이전에는 수익성이 없다.
• 공격은 난이도 조정 이후에만 수익성이 있으며, 이는 난이도 조정 메커니즘 자체를 공격하는 전략일 뿐, 합의 알고리즘에 직접적인 영향을 주는 것은 아니다.
• 오라클 블록 수를 포함한 제안된 난이도 조정 공식은 이기적 마이닝에 대응해 난이도가 내려가지 않게 하여 공격를 무력화한다.
• 블록에 언니 블록 존재 증명을 포함하도록 요구하는 프로토콜 개선안은 난이도 조정 이후에도 정직한 마이닝이 이기적 마이닝보다 더 수익성이 있도록 만든다.
• 새로운 규칙은 항상 가장 많은 작업 증명(언니 포함)을 가진 블록이 공식 체인으로 유지되도록 하여, 분기 경쟁에서 정직한 마이너를 유리하게 한다.
• 이론적 분석은 제안된 수정안이 적용된 이후 이기적 마이닝이 정직한 마이닝을 능가할 수 없음을 확인하며, 비트코인 설계의 원래 인센티브 일치성을 복원한다.