[논문 리뷰] Selfish Mining in Ethereum

Jianyu Niu, Chen Feng|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 15.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 15인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 이더리움에서의 이기적 마이닝을 분석하기 위해 2차원 마르코프 모델을 제안하며, 비트코인과의 주요 차이점인 언니 블록과 삼촌 블록 보상까지 고려한다. 이 모델은 이더리움에서의 이기적 마이닝이 수익성이 있는 조건이 비트코인보다 낮다는 것을 발견했다(특정 조건 하에 약 16.3%로, 비트코인의 25%보다 낮음). 이는 이더리움의 보상 구조상 이 기법에 더 취약하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

As the second largest cryptocurrency by market capitalization and today's biggest decentralized platform that runs smart contracts, Ethereum has received much attention from both industry and academia. Nevertheless, there exist very few studies about the security of its mining strategies, especially from the selfish mining perspective. In this paper, we aim to fill this research gap by analyzing selfish mining in Ethereum and understanding its potential threat. First, we introduce a 2-dimensional Markov process to model the behavior of a selfish mining strategy inspired by a Bitcoin mining strategy proposed by Eyal and Sirer. Second, we derive the stationary distribution of our Markov model and compute long-term average mining rewards. This allows us to determine the threshold of computational power that makes selfish mining profitable in Ethereum. We find that this threshold is lower than that in Bitcoin mining (which is 25% as discovered by Eyal and Sirer), suggesting that Ethereum is more vulnerable to selfish mining than Bitcoin.

연구 동기 및 목표

• 이더리움에서의 이기적 마이닝에 대한 연구가 부족한 점을 보완하고, 특히 독특한 삼촌 및 삼촌 보상 메커니즘을 고려하기 위함.
• 확률적이고 상태 기반의 접근 방식을 사용해 이더리움에서의 이기적 마이닝 전략의 수익성을 모델링하고 정량화하기 위함.
• 이기적 마이닝 풀이 정직한 마이닝을 능가하기 위해 필요한 최소한의 계산 능력 비율을 도출하기 위함.
• EIP100과 같은 이더리움 프로토콜 파ameter의 변화가 이기적 마이닝 공격에 대한 취약성에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위함.
• 이더리움의 마이닝 보안 향상을 위한 이론적 및 시뮬레이션 기반 통찰을 제공하기 위함.

제안 방법

• 이기적 마이닝 풀과 공개 체인의 상태를 추적하기 위해, 풀의 비공개 블록 체인 길이와 공개 체인 길이를 모두 고려한 2차원 연속시간 마르코프 과정을 개발한다.
• 불확실한 삼촌 및 삼촌 블록 보상의 특성을 반영하기 위해 확률적 보상 추적 기법을 사용하며, 이는 1차원 결정론적 모델이 포착하지 못하는 요소이다.
• 마르코프 체인의 정적 분포를 유도하여 이기적 마이너와 정직한 마이너의 장기 평균 마이닝 보상을 계산한다.
• 이기적 마이닝이 정직한 마이닝보다 수익성이 높아지는 계산 능력의 임계값(전체 네트워크 파워의 비율)을 계산한다.
• 다양한 네트워크 조건과 프로토콜 파ameter에서 이론적 결과를 검증하기 위해 광범위한 시뮬레이션을 수행한다.
• 블록 참조 거리와 보상 구조의 변화가 이기적 마이닝의 수익성에 어떤 영향을 미치는지 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이더리움에서 이기적 마이닝 풀이 정직한 마이닝보다 장기적으로 더 많은 보상을 얻기 위해 필요한 최소한의 계산 능력 비율은 얼마인가?
• RQ2 이더리움의 삼촌 및 삼촌 보상 제도는 비트코인과 비교해 이기적 마이닝의 수익성과 임계점에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 2차원 마르코프 모델은 삼촌 보상 인centive를 고려할 때 기존 1차원 결정론적 모델에 비해 어떤 방식으로 더 나은 동적 특성을 반영하는가?
• RQ4 EIP100과 같은 프로토콜 변경 사항은 이더리움의 이기적 마이닝 공격에 대한 취약성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 삼촌 블록 참조 행동의 특성은 이더리움 마이닝 생태계의 보안성과 안정성에 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• 시나리오 2 조건 하에서 이더리움에서의 이기적 마이닝 수익성 임계점은 전체 네트워크 파워의 약 16.3%로, 비트코인의 25%보다 훨씬 낮다.
• 삼촌 및 삼촌 보상의 존재는 이더리움의 이기적 마이닝에 대한 취약성을 증가시키며, 비슷한 기반 PoW 메커니즘을 가짐에도 불구하고 비트코인보다 더 취약하다.
• 시뮬레이션 결과는 이론적 예측을 확인하며, 이기적 마이닝 전략이 풀의 계산 능력이 유도된 임계점 이상일 경우 장기적으로 더 높은 보상을 얻는다는 것을 보여준다.
• 정직한 마이너의 삼촌 블록 분포는 참조 거리에 따라 달라진다: α=0.3일 경우, 블록당 삼촌 블록의 기대 수는 1.75이며, α=0.45일 경우 2.72로 증가한다.
• 모델은 삼촌 보상의 영향을 정확히 반영하기 위해 보상 추적의 확률적 접근이 필수적임을 드러내며, 결정론적 모델은 이를 정확히 표현하지 못한다.
• 연구 결과는 마이닝 곤란도 조정이 삼촌 블록 동역학을 고려해야 하며, 否면 이기적 마이닝에 대한 취약성이 증가할 수 있음을 시사한다.