[논문 리뷰] On the Preliminary Investigation of Selfish Mining Strategy with Multiple Selfish Miners

Tin Leelavimolsilp, Tran-Thanh, Long외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 06.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 6인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 다수의 채굴자가 독립적으로 전략을 사용할 때 비트코인에서의 이기적 채굴을 조사하며, 현실 세계의 채굴을 더 잘 반영하는 동시성 인지 모델을 제안한다. 이는 이기적 채굴의 효과성을 위한 최소 채굴력 임계값이 이기적 채굴자의 수에 비례하여 감소하며, 모든 이기적 채굴자가 솔직한 채굴로 전환하지 않고도 정당한 보상보다 더 많은 보상을 얻는 나시 균형이 존재함을 발견한다.

ABSTRACT

Eyal and Sirer's selfish mining strategy has demonstrated that Bitcoin system is not secure even if 50% of total mining power is held by altruistic miners. Since then, researchers have been investigating either to improve the efficiency of selfish mining, or how to defend against it, typically in a single selfish miner setting. Yet there is no research on a selfish mining strategies concurrently used by multiple miners in the system. The effectiveness of such selfish mining strategies and their required mining power under such multiple selfish miners setting remains unknown. In this paper, a preliminary investigation and our findings of selfish mining strategy used by multiple miners are reported. In addition, the conventional model of Bitcoin system is slightly redesigned to tackle its shortcoming: namely, a concurrency of individual mining processes. Although a theoretical analysis of selfish mining strategy under this setting is yet to be established, the current findings based on simulations is promising and of great interest. In particular, our work shows that a lower bound of power threshold required for selfish mining strategy decreases in proportion to a number of selfish miners. Moreover, there exist Nash equilibria where all selfish miners in the system do not change to an honest mining strategy and simultaneously earn their unfair amount of mining reward given that they equally possess sufficiently large mining power. Lastly, our new model yields a power threshold for mounting selfish mining strategy slightly greater than one from the conventional model.

연구 동기 및 목표

• 다수의 채굴자가 동시에 전략을 사용할 때 이기적 채굴의 효과성을 조사하는 것, 이는 이전 연구에서 다루지 않은 시나리오이다.
• 기존 비트코인 모델의 한계를 해결하는 것 — 즉, 순차적 채굴을 가정하고 독립적인 채굴 프로세스의 현실 세계 동시성을 반영하지 못함.
• 다수의 이기적 채굴자가 존재할 경우 이기적 채굴이 유지를 하고, 어떤 채굴력 기준이 필요한지 확인하는 것.
• 이기적 채굴자가 솔직한 채굴로 전환하지 않고도 함께 불공정한 보상을 얻는 나시 균형의 존재성과 안정성을 분석하는 것.
• 기존 이론적 채굴력 기준이 과도하게 단순화된 모델링 가정으로 인해 과소 평가되었는지 평가하는 것.

제안 방법

• 개별 채굴 프로세스의 동시성을 고려한 수정된 비트코인 모델을 제안하며, 채굴자가 독립적으로 자신의 로컬 블록체인을 구축하고 연장한다.
• 다양한 구성의 이기적 채굴자와 솔직한 채굴자에 대해 보상 분포를 평가하기 위한 시뮬레이션 기반 접근법을 도입한다.
• 반복 시험(100~200회 실행)을 통한 몬테카를로 시뮬레이션을 활용해 평균 보상과 95% 신뢰구간을 추정한다.
• 새로운 동시성 인지 모델과 기존 모델의 결과를 비교하여 채굴력 기준 추정치의 격차를 평가한다.
• 보상 결과를 다양한 채굴력 할당에 대해 시각화하기 위해 히트맵과 선형도를 사용한다.
• 이기적 채굴자가 동일하거나 다른 채굴력을 가진 경우를 테스트하여 균형 조건을 분석하고, 고강도 채굴력 수준에서의 안정성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 여러 명의 이기적 채굴자가 동시에 존재할 경우, 이기적 채굴자가 불공정한 보상을 얻기 위해 필요한 최소 채굴력 기준은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 다수의 이기적 채굴자가 동시에 자신의 비례 보상보다 더 많은 보상을 얻는 나시 균형이 성립하는 조건은 무엇인가?
• RQ3 개별 채굴 프로세스의 동시성이 기존 모델과 비교해 이기적 채굴의 추정 채굴력 기준에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이기적 채굴자 간에 채굴력이 균등하게 분배될 경우 보상 분배의 안정성과 공정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 보안 기준 — 즉, 이기적 채굴에 완전히 대비하기 위해 필요한 채굴력 — 는 이기적 채굴자의 수와 관계없이 동일하게 유지되는가?

주요 결과

• 이기적 채굴자가 불공정한 보상을 얻기 위해 필요한 최소 채굴력 기준은 시스템 내 이기적 채굴자의 수에 비례하여 감소한다.
• 여러 명의 이기적 채굴자가 각각 충분히 크고 동일한 채굴력을 확보하고 있을 경우, 솔직한 채굴로 전환하지 않고도 동시에 정당한 보다 더 많은 보상을 얻는 나시 균형이 존재한다.
• 이기적 채굴의 상한 기준 채굴력은 이기적 채굴자의 수와 관계없이 항상 0.5로 유지된다.
• 새로운 동시성 인지 모델은 기존 모델보다 약간 높은 이기적 채굴 기준 채굴력을 도출하며, 이는 이전 추정치가 필요한 채굴력보다 과소 평가되었을 가능성을 시사한다.
• 이기적 채굴자가 0.33 이상의 동일한 채굴력을 가질 경우, 채굴력이 0.43를 초과하면 보상 결과가 불안정해지고 비례 보다 낮아질 수 있다.
• 솔직한 채굴자가 전체 채굴력의 47% 이하를 차지할 경우, 다수의 이기적 채굴자가 존재하더라도 시스템은 여전히 이기적 채굴에 완전히 취약하다.