[論文レビュー] Proposal for a fully decentralized blockchain and proof-of-work algorithm for solving NP-complete problems

Carlos Oliver, Alessandro Ricottone+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2017

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、NP完全問題（例えばグラフ彩色問題や巡回セールスマン問題）を解くことによってマイナーをインセンティブ化する完全に分散型のブロックチェーンを提案する。改善された解決策を含むブロックに対してはマイニング難易度を低下させることで、計算資源を従来の証明書の作成から実世界の問題解決へと再配分する。このシステムは中央集権的な管理を一切必要とせず、安全で公開のブロックチェーンを維持しながら、検証可能で現実世界の問題解決に役立つ結果を生成する。これは、実用的な計算をブロックチェーンの証明書の作成に統合する初の完全分散型アプローチである。

ABSTRACT

We propose a proof-of-work algorithm that rewards blockchain miners for using computational resources to solve NP-complete puzzles. The resulting blockchain will publicly store and improve solutions to problems with real world applications while maintaining a secure and fully functional transaction ledger.

研究の動機と目的

• 従来の証明書の作成から実世界の応用を持つNP完全問題の解決へと計算資源を再配分する、完全分散型ブロックチェーンを設計すること。
• 問題の委譲や解決策の検証に中央機関に依存しない仕組みを実現し、完全な分散化と匿名性を確保すること。
• 改善された解決策がマイニング難易度を低下させる仕組みを設計し、マイナーが問題解決に注力するようにインセンティブを提供すること。
• ブロックチェーンのセキュリティを維持しながら、解決策を公開され、改ざん不能なログに保存・進化させること。
• 分散型ストレージと動的選択メカニズムを用いて、複数のNP完全問題インスタンスを効率的に保管・選択・更新できること。

提案手法

• マイナーが特定のNP完全問題 $P$ の解決策を含むブロックを提出できるように変更された証明書の作成プロトコルを使用する。解決策は多項式時間で検証可能である。
• 現在の最良解よりも優れた解決策を含むブロックに対してはマイニング難易度を低下させることで、単なるノンスの探索ではなく解決策の改善を促進する。
• ブロックには問題インスタンス $P$ と解決策の圧縮表現を格納する新しいフィールドを含め、標準的なマイニングでは値がnullでもよい。
• ジェネシスブロックは初期の問題インスタンスを格納し、以降のブロックはポインタでそれを参照するか、サイズが許す場合は問題を直接含める。
• 複数の問題を扱う場合、ストレージノードが問題セット $\Omega$ を保持する分散型ストレージモデルを採用し、マイナーはポインタによりパズルを取得する。
• パズルの選択は直前のブロックのハッシュによって決定され、動的で決定論的な問題の割り当てが可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中央集権的な調整なしに、NP完全問題を証明書の作成の一種として解く完全分散型ブロックチェーンを設計できるか？
• RQ2 ネットワークのセキュリティを維持しつつ、従来のハッシュ計算よりも問題解決を優先するようにマイニングインセンティブを設計するにはどうすればよいか？
• RQ3 実際に有効で重複しない、科学的に意味のあるNP完全問題インスタンスのみがブロックチェーンに含まれることを保証するメカニズムは何か？
• RQ4 複数のNP完全問題インスタンスを分散型で効率的に保管・選択・更新するにはどうすればよいか？
• RQ5 暗号的セキュリティと実用的な問題解決の両方を同時に達成できるか？

主な発見

• 提案されたシステムにより、マイナーはNP完全問題を解くことで報酬を得られ、改善された解決策を含むブロックに対してはマイニング難易度が低下するため、計算資源が意味のある問題解決に再配分される。
• ブロックチェーンはNP完全問題の解決策を格納・公開的に更新し、中央機関の監視なしに検証可能で改ざん不能な状態を保つ。
• 直前のブロックのハッシュを用いて動的に問題を選択するメカニズムを提案し、マイナー間での負荷分散が可能な分散型で、かつ決定論的なパズル配分が可能になる。
• 単一および複数の問題インスタンスをサポートし、大規模な問題セットに対しては分散型ストレージノードによるスケーラブルなストレージが実現可能である。
• 特別な取引を用いて新しい問題を追加可能であり、手数料を課すことによりスパムを抑止し、有効で非自明な問題のみがシステムに導入されることを保証する。
• 本アプローチは、セキュリティと分散化を維持しながら、実用的な問題解決を証明書の作成に統合する初の完全分散型ブロックチェーンである。