[论文解读] Bitcoin vs. Bitcoin Cash: Coexistence or Downfall of Bitcoin Cash?

Yu‐Jin Kwon, Hyoungshick Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 16被引用 15

一句话总结

本文使用博弈论框架对波动性挖矿（fickle mining）进行建模——即矿工根据短期盈利能力在比特币（BTC）与比特币现金（BCH）之间切换。研究发现，波动性挖矿会导致纳什均衡，其中仅剩部分忠诚矿工留在价值较低的币种（如BCH）上，从而引发严重中心化并降低安全性。研究通过历史数据验证了该结论，并警告称，若超过5%的总算力采用自动挖矿，BCH矿工可能大规模撤离。

ABSTRACT

In Aug. 2017, Bitcoin was split into the original Bitcoin (BTC) and Bitcoin Cash (BCH). Since then, miners have had a choice between BTC and BCH mining because they have compatible proof-of-work algorithms. Therefore, they can freely choose which coin to mine for higher profit, where the profitability depends on both the coin price and mining difficulty. Some miners can immediately switch the coin to mine only when mining difficulty changes because the difficulty changes are more predictable than that for the coin price, and we call this behavior fickle mining. In this paper, we study the effects of fickle mining by modeling a game between two coins. To do this, we consider both fickle miners and some factions (e.g., BITMAIN for BCH mining) that stick to mining one coin to maintain that chain. In this model, we show that fickle mining leads to a Nash equilibrium in which only a faction sticking to its coin mining remains as a loyal miner to the less valued coin (e.g., BCH), where loyal miners refer to those who conduct mining even after coin mining difficulty increases. This situation would cause severe centralization, weakening the security of the coin system. To determine which equilibrium the competing coin systems (e.g., BTC vs. BCH) are moving toward, we traced the historical changes of mining power for BTC and BCH. In addition, we analyze the recent "hash war" between Bitcoin ABC and SV, which confirms our theoretical analysis. Finally, we note that our results can be applied to any competing cryptocurrency systems in which the same hardware (e.g., ASICs or GPUs) can be used for mining. Therefore, our study brings new and important angles in competitive coin markets: a coin can intentionally weaken the security and decentralization level of the other rival coin when mining hardware is shared between them, allowing for automatic mining.

研究动机与目标

• 对BTC与BCH等竞争性PoW加密货币之间的波动性挖矿经济动态进行建模。
• 分析理性、逐利矿工与忠诚派系在竞争性挖矿环境中的互动机制。
• 确定BTC与BCH是否能实现稳定共存，或是否存在因波动性行为导致某一币种失去忠诚矿工的情况。
• 利用2017年8月至2018年12月的历史算力数据，评估波动性挖矿的真实世界影响。
• 评估自动挖矿对价值较低币种去中心化与安全性构成的威胁。

提出的方法

• 构建一个博弈论模型，包含两类矿工：根据盈利能力切换的波动性矿工，以及无论短期收益如何都坚持某一币种的忠诚派系。
• 将挖矿盈利能力建模为币价与挖矿难度的函数，其中难度变化比价格变化更具可预测性。
• 识别出两种纳什均衡：稳定共存与价值较低币种失去忠诚矿工。
• 基于BCH分叉（2017年8月）至2018年12月的历史算力分布数据，实证分析以验证理论预测。
• 引入并分析“自动挖矿”行为——矿工反复切换至最有利可图的币种——采用阈值模型进行分析。
• 将模型扩展以解释战略性攻击，例如通过诱发波动性挖矿使某一币种削弱另一币种，并讨论对合并挖矿与共识变更的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 BTC与BCH等竞争性PoW加密货币之间的波动性挖矿，其均衡结果是什么？
• RQ2 在竞争性挖矿环境中，忠诚挖矿派系的存在如何影响价值较低币种的稳定性和去中心化程度？
• RQ3 自动挖矿（矿工持续切换至最有利可图的币种）在多大程度上威胁价值较低币种（如BCH）的生存？
• RQ4 2017年11月13日BCH难度调整算法的变更，如何影响其算力稳定性及与BTC实现共存的可能性？
• RQ5 一个加密货币能否通过诱发波动性挖矿来战略性地削弱另一个，此类行为的安全部署影响是什么？

主要发现

• 波动性挖矿导致纳什均衡，其中仅忠诚派系作为价值较低币种（如BCH）的矿工留存，造成严重中心化。
• 历史数据显示，BCH在2017年11月13日之前缺乏忠诚矿工，该日难度调整算法变更后，共存状态变得更加稳定。
• BCH难度算法的变更降低了波动性，使系统更接近与BTC的稳定共存。
• 截至2018年12月，若超过约5%的BTC与BCH总算力参与自动挖矿，BCH将失去其忠诚矿工。
• 对Bitcoin ABC与SV之间“算力战争”的分析证实了理论预测：波动性挖矿可能破坏币种系统并引发战略性攻击。
• 本研究证明，共享挖矿硬件使某一币种可通过诱发波动性挖矿来削弱另一币种的安全性，揭示了PoW竞争性币种市场中的系统性风险。