[논문 리뷰] Rationals vs Byzantines in Consensus-based Blockchains

Yackolley Amoussou-Guenou, Bruno Biais외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 21.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 합리적 참여자와 byzantine 참여자 간의 게임으로 PBFT 기반 블록체인을 모델링하여 공준 성질에 대한 균형 조건을 분석한다. 유효성은 다수 결합 조건이 byzantine 노드 비율을 초과하고, 불법 블록의 비용이 높을 경우에만 균형에서 유지되며, 이 외의 경우에는 불법 블록이 수락되거나 조율 문제로 인해 공준이 실패할 수 있다.

ABSTRACT

In this paper we analyze from the game theory point of view Byzantine Fault Tolerant blockchains when processes exhibit rational or Byzantine behavior. Our work is the first to model the Byzantine-consensus based blockchains as a committee coordination game. Our first contribution is to offer a game-theoretical methodology to analyse equilibrium interactions between Byzantine and rational committee members in Byzantine Fault Tolerant blockchains. Byzantine processes seek to inflict maximum damage to the system, while rational processes best-respond to maximise their expected net gains. Our second contribution is to derive conditions under which consensus properties are satisfied or not in equilibrium. When the majority threshold is lower than the proportion of Byzantine processes, invalid blocks are accepted in equilibrium. When the majority threshold is large, equilibrium can involve coordination failures , in which no block is ever accepted. However, when the cost of accepting invalid blocks is large, there exists an equilibrium in which blocks are accepted iff they are valid.

연구 동기 및 목표

• PBFT 기반 블록체인을 합리적 참여자와 byzantine 참여자 간의 조율 게임으로 분석하기.
• 균형 상태에서 공준 성질—유효성, 종료, 일치—이 만족되는 조건을 도출하기.
• 블록체인 공준에서 인centives, 검증 비용, 네트워킹 비용을 모델링하여 컴퓨터 과학과 경제학의 시각을 통합하기.
• 균형 상태에서 불법 블록이 수락되거나 합리적 인centives가 있음에도 조율 실패가 발생하는 경우를 특정하기.

제안 방법

• 합리적 참여자와 byzantine 위원회 구성원을 포함한 동적이고 다단계 게임으로 블록체인 공준 과정을 모델링한다.
• 핵심 비용을 도입: 블록 검증 비용 $c_{check}$, 메시지 전송 비용 $c_{send}$, 불법 블록 수락 시 벌금 $\kappa$.
• 균형 분석을 통해 합리적 플레이어가 블록 검증 또는 투표에 참여할 동기를 평가한다.
• 합리적 플레이어가 무료 라이딩을 하지 않도록 하는 조건을 유도하며, 이는 불법 블록 수락을 방지하는 데 핵심적인 역할을 한다.
• 조건부 확률 모델을 적용해 byzantine 프로세스 수와 투표 기준에 따라 불법 블록 수락 가능성을 평가한다.
• 보상 비교를 통해 지배적 탈선을 배제하여 제안된 균형 전략의 안정성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PBFT 기반 블록체인에서 합리적 참여자가 무료 라이딩을 피하고 균형 상태에서 블록 유효성을 검증하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 합리적 참여자와 byzantine 참여자가 모두 존재할 때, 공준의 유효성 성질이 보장되는 조건은 무엇인가?
• RQ3 다수 결합 조건 $\nu$ 와 byzantine 프로세스 비율 $f$ 가 공준 결과에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 유효한 블록이 존재함에도 불구하고 어떤 블록도 수락되지 않는 조율 실패가 발생하는 원인은 무엇인가?
• RQ5 검증 비용과 메시지 전송 비용은 공준 균형의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 만약 $f \geq \nu$ 라면, 균형 상태에서 불법 블록이 수락되어 유효성 성질이 위반된다.
• 만약 $f < \nu$ 라면, 유효한 블록이 수락되고 종료 조건이 성립하는 균형이 존재하지만, 다른 균형에서는 어떤 블록도 수락되지 않아 종료 조건이 위반된다.
• 유효성 성질이 균형에서 유지되기 위해서는 불법 블록 수락 비용 $\kappa$ 가 검증 비용 및 통신 비용 대비 충분히 높아야 한다.
• 합리적 플레이어는 자신들이 핵심적인 영향력을 행사하므로 무료 라이딩을 하지 않는다: 블록 검증 또는 투표 결정이 불법 블록 수락 여부에 영향을 미친다.
• 균형 안정성은 조건 $\kappa > \alpha(t)c_{\text{check}} - \beta(t)c_{\text{send}}$ 를 만족할 때 모든 $t < f$ 에 대해 성립하며, 이는 검증 동기를 유지한다.
• 모델은 높은 보상 $R$ 과 $c_{\text{check}} \geq c_{\text{send}}$ 가 불검증 또는 메시지 미전송과 같은 탈선 행동을 지배하기 위해 필수적임을 보여준다.