[論文レビュー] Estimation of Miner Hash Rates and Consensus on Blockchains (draft)

A. Pinar Ozisik, George Bissias+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 12被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、ブロックチェーンデータのみ、または最小限のマイナー状態報告書のみを用いて、リアルタイムでのマイナーのハッシュレートとブロックチェーン合意形成のセキュリティを推定する2つの手法を提案する。状態報告書の導入により、0.1%の二重支出リスクを達成するのに必要なブロック深さが、平均で40ブロックから13ブロックにまで短縮され、精度が著しく向上することを示している。これにより、商人はリアルタイムでデータドリブンな確認意思決定を下せるようになる。

ABSTRACT

We make several contributions that quantify the real-time hash rate and therefore the consensus of a blockchain. We show that by using only the hash value of blocks, we can estimate and measure the hash rate of all miners or individual miners, with quanti able accuracy. We apply our techniques to the Ethereum and Bitcoin blockchains; our solution applies to any proof-of-work-based blockchain that relies on a numeric target for the validation of blocks. We also show that if miners regularly broadcast status reports of their partial proof-of- work, the hash rate estimates are signi cantly more accurate at a cost of slightly higher bandwidth. Whether using only the blockchain, or the additional information in status reports, merchants can use our techniques to quantify in real-time the threat of double-spend attacks.

研究の動機と目的

• マイナーのリアルタイムで検証可能なハッシュレートデータの不足が、ブロックチェーンセキュリティの正確な評価を妨げているという問題に対処すること。
• 商人がネットワーク合意形成の動的でリアルタイムの推定値を用いて、二重支出攻撃のリスクを定量的に評価できるようにすること。
• ブロックチェーンプロトコルの変更を要しない、スケーラブルで低オーバーヘッドのマイナーのハッシュレート推定手法を設計すること。
• 合成ブロックチェーンを用いた評価を通じて、推定の正確性を評価し、信頼性の統計的境界を導出すること。
• あらゆるプルーフ・オブ・ワーク型ブロックチェーンに適用可能な、リアルタイムでのトランザクションセキュリティ評価の実用的フレームワークを提供すること。

提案手法

• ブロックのハッシュ値のみを用いて、ブロックのタイムス탬プとターゲット値の分布を活用してマイナーのハッシュレートを推定する。
• マイナーが部分的プルーフ・オブ・ワークの進行状況をコンactで、検証可能な要約としてブロードキャストする状態報告メカニズムを提案し、それをオフチェーンに保存する。
• 状態報告の指数的間隔を用いてハッシュレートをモデル化し、マイニング試行がポアソン的挙動を示すものと仮定する。
• 状態報告に基づくハッシュレート推定における相対誤差のチェルノフ境界を導出し、推定の信頼性を定量化する。
• ブロックチェーンのみと状態報告に基づく推定を組み合わせることで段階的導入を可能にし、後方互換性を保つ。
• 推定されたハッシュレートを用いて、リアルタイムでブロック合意形成確率を可視化するセキュリティダッシュボードを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイナーの協力が不要な状態で、オンチェーンのブロックデータのみを用いてリアルタイムでのマイナーのハッシュレートを正確に推定できるか？
• RQ2 オフチェーンの状態報告を追加することで、ハッシュレートおよび合意形成推定の正確性とタイムリネスはどの程度向上するか？
• RQ3 0.1%の二重支出リスクを達成するために必要なブロック深さは何か？ また、推定手法によってその値はどのように変化するか？
• RQ4 動的変化するハッシュレートが、ビットコインの6ブロックルールのような従来の確認深さルールの信頼性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 状態報告を用いた場合の推定誤差の統計的境界は何か？ また、報告頻度に応じてその境界はどのようにスケーリングされるか？

主な発見

• ブロックチェーンのみの手法では、誤差を定量的に評価可能であるが、0.1%の二重支出リスクを達成するには、半数のブロックで最大40ブロックの確認深さを要する。
• 状態報告を導入することで、0.1%の二重支出リスクを達成するのに必要なブロック深さは平均13ブロックにまで低下し、商人の待機時間は著しく短縮される。
• チェルノフ境界により、状態報告に基づく推定は急速に収束し、報告頻度が高くなるに従い、誤差は指数関数的に減少することが示された。
• ビットコインでは、状態報告によるオーバーヘッドは約0.03 KBpsにとどまり、イーサリアムでは約6.6 KBpsであるが、データの保存やアーカイブの必要がない。
• 本手法により、ビットコインの6ブロック確認ルールのような静的ルールに代わる、リアルタイムで動的かつ最適化可能な確認閾値が実現可能である。
• http://cs.umass.edu/~brian/blockchain.html に公開されたデモでは、提案手法を用いてリアルタイムで定量的なブロックセキュリティ推定値を提供している。