[論文レビュー] The Unreasonable Fundamental Incertitudes Behind Bitcoin Mining

Nicolas T. Courtois, Marek Grajek+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2013

Cryptography and Data Security参考文献 17被引用数 32

ひとこと要約

この論文は、ビットコインマイニングにおける根本的な暗号的定数（≤1.89）を特定し、マイニングハードウェアの効率を38%向上させ、年間数千万ドルの電力コスト削減を可能にする。4年ごとの報酬半減サイクルは恣意的で有害であると主張し、長期的な安定性と分散化を高めるための改訂された報酬式を提案する。

ABSTRACT

Bitcoin is a "crypto currency", a decentralized electronic payment scheme based on cryptography which has recently gained excessive popularity. Scientific research on bitcoin is less abundant. A paper at Financial Cryptography 2012 conference explains that it is a system which "uses no fancy cryptography", and is "by no means perfect". It depends on a well-known cryptographic standard SHA-256. In this paper we revisit the cryptographic process which allows one to make money by producing bitcoins. We reformulate this problem as a Constrained Input Small Output (CISO) hashing problem and reduce the problem to a pure block cipher problem. We estimate the speed of this process and we show that the cost of this process is less than it seems and it depends on a certain cryptographic constant which we estimated to be at most 1.86. These optimizations enable bitcoin miners to save tens of millions of dollars per year in electricity bills. Miners who set up mining operations face many economic incertitudes such as high volatility. In this paper we point out that there are fundamental incertitudes which depend very strongly on the bitcoin specification. The energy efficiency of bitcoin miners have already been improved by a factor of about 10,000, and we claim that further improvements are inevitable. Better technology is bound to be invented, would it be quantum miners. More importantly, the specification is likely to change. A major change have been proposed in May 2013 at Bitcoin conference in San Diego by Dan Kaminsky. However, any sort of change could be flatly rejected by the community which have heavily invested in mining with the current technology. Another question is the reward halving scheme in bitcoin. The current bitcoin specification mandates a strong 4-year cyclic property. We find this property totally unreasonable and harmful and explain why and how it needs to be changed.

研究の動機と目的

• ビットコインマイニングの暗号的基盤を分析し、長期的な収益性に影響を与える隠れた非効率要因を同定すること。
• 4年ごとの報酬半減サイクルが恣意的で、不安定な要因であり、ビットコインが安定した価値貯蔵手段としての役割を損なうとみなすこと。
• 2100万枚の供給上限を維持しつつ、時間経過に伴い滑らかで予測可能なマイニング報酬を保証する改訂された報酬式を提案すること。
• 技術的・プロトコル上の変更、特にプルーフ・オブ・ワークにおける変化が、既存のマイニング投資に根本的なリスクをもたらすことを強調すること。
• 現在のASIC中心のマイニングエコシステムが分散化を脅かしており、より広範な市場参加と信頼メカニズムの導入が求められると主張すること。

提案手法

• ビットコインマイニングを制約付き入力・小出力（CISO）ハッシュ問題として再定式化し、純粋なブロック暗号問題に還元すること。
• マイニングプロセスに内在する暗号的定数を同定し、その上限が ≤1.89 であることを特定し、マイニングの平均コストを決定すること。
• 数学的モデル化とMapleを用いた計算により、提案された報酬式の正しさを検証すること。
• 幾何級数を用いた新しい報酬関数を提案し、ブロック420,000で連続性を保証する閉形式の式を導出すること。
• オリジナルのサトシ半減スケジュールと比較することで、新報酬式の経済的影響を分析すること。
• プルーフ・オブ・ワーク関数の変更といった潜在的なプロトコル変更が、マイニング経済と分散化に与える影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビットコインマイニングの真の平均コストとは何か？ そして、そのコストは下位の暗号的定数にどのように依存するか？
• RQ2 なぜ現在の4年ごとの半減サイクルが不合理で有害とされるのか？
• RQ3 改訂された報酬式は、2100万枚の供給上限を維持しつつ、長期的なマイニング安定性と予測可能性を向上させられるか？
• RQ4 量子マイニングやASICの進化といった技術的シフトが、マイニング投資家にとって根本的な不確実性をもたらす理由は何か？
• RQ5 現在のビットコインエコシステムにおいて、集中化されたマイニングハードウェアの生産と流通がもたらすシステム的リスクは何か？

主な発見

• 平均コストは一般的に想定されているよりも著しく低く、暗号的定数が ≤1.89 に制限されることにより、38%の効率向上が可能である。
• 4年ごとの半減サイクルは、経済的・暗号的根拠のない恣意的な構造であり、ビットコインが安定した価値貯蔵手段としての信頼性を損なう。
• 提案された新しい報酬式は2100万枚の供給上限を維持し、ブロック420,000で連続性を確保するとともに、サイクルの初期および中盤段階でより高い報酬を提供する。
• 具体的な例から、新報酬式ではブロック420,336以降を除き、10年以上にわたりオリジナル方式よりも高い報酬が得られることを示している。
• 論文は、Mapleを用いた検証により、新報酬関数が数学的に正しく、オリジナルの供給上限と整合的であることを実証している。
• 著者らは、マイニング効率のさらなる向上、特に量子ベースのマイニングの可能性が避けがたいものであり、プロトコル変更が分散化の観点から両立可能かつ不可避であると結論づけている。