[论文解读] On profitability of selfish mining

Cyril Grunspan, Ricardo Pérez-Marco|arXiv (Cornell University)|May 16, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 5被引用 25

一句话总结

本文使用鞅理论和Doob停时定理，对比特币中的自私挖矿盈利能力进行了严格分析，揭示了在难度调整前，由于攻击周期时间延长，自私挖矿是无利可图的。研究证明，该策略仅在难度降低后才变得有利可图，暴露了难度调整机制中的缺陷，并提出了一项协议增强方案，通过引入“叔块”信号机制，使自私挖矿不再有利可图，从而实现激励与诚实挖矿的一致性。

ABSTRACT

We review the so called selfish mining strategy in the Bitcoin network and compare its profitability to honest mining.We build a rigorous profitability model for repetition games. The time analysis of the attack has been ignored in the previous literature based on a Markov model,but is critical. Using martingale's techniques and Doob Stopping Time Theorem we compute the expected duration of attack cycles. We discover a remarkable property of the bitcoin network: no strategy is more profitable than the honest strategy before a difficulty adjustment. So selfish mining can only become profitable afterwards, thus it is an attack on the difficulty adjustment algorithm. We propose an improvement of Bitcoin protocol making it immune to selfish mining attacks. We also study miner's attraction to selfish mining pools. We calculate the expected duration time before profit for the selfish miner, a computation that is out of reach by the previous Markov models.

研究动机与目标

• 提供对自私挖矿的严格、时间感知的盈利能力分析，纠正以往基于马尔可夫模型的缺陷，后者忽略了持续时间的影响。
• 阐明为何自私挖矿仅在难度调整后才变得有利可图，揭示其本质是针对难度调整算法本身的策略性攻击。
• 提出一种协议级修复方案，通过将孤儿块（叔块）数据纳入难度调整公式，使自私挖矿不再有利可图。
• 通过修改工作量证明选择规则，确保长期激励兼容性，使矿工行为与诚实挖矿保持一致。

提出的方法

• 使用鞅技术与Doob停时定理，计算自私挖矿攻击周期的期望持续时间。
• 将攻击建模为一个随机过程，其区块释放策略基于链长和网络响应的动态状态。
• 引入新的盈利能力度量指标：单位时间平均收益，该指标由周期持续时间与区块奖励推导得出。
• 提出一种修改后的难度调整公式，将网络中孤儿块（叔块）的数量纳入哈希算力估算。
• 建议一种网络规则，优先选择包含更多工作量证明（包括叔块）的区块，以在分叉竞争中倾向诚实挖矿。
• 将理论框架应用于分析和比较其他策略（如顽固挖矿和追踪挖矿），推导出闭式盈利能力公式。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何尽管先前声称有利可图，自私挖矿在难度调整前仍无利可图？
• RQ2 如何严格计算自私挖矿攻击周期的期望持续时间，为何这对盈利能力评估至关重要？
• RQ3 在考虑时间和周期持续时间的情况下，自私挖矿相对于诚实挖矿的真实盈利能力为何？
• RQ4 当前的难度调整公式为何在存在自私挖矿的情况下无法准确反映实际网络算力？
• RQ5 能否通过协议变更使自私挖矿无利可图，同时保持比特币中的激励一致性？

主要发现

• 自私挖矿在难度调整前无利可图，因为攻击周期的期望持续时间过长，抵消了任何潜在收益。
• 该攻击仅在难度调整后才变得有利可图，表明其本质是针对难度调整机制的战略性利用，而非对共识机制的直接攻击。
• 所提出的难度调整公式（包含孤儿块数量）可确保难度不会因自私挖矿而下降，从而中和攻击效果。
• 协议增强方案——要求区块包含叔块存在的证明——即使在调整后，也能使诚实挖矿比自私挖矿更具盈利能力。
• 新规则确保官方区块链始终是包含叔块在内的工作量证明最多的链，从而在分叉竞争中倾向诚实矿工。
• 理论分析证实，在所提修复方案下，自私挖矿无法超越诚实挖矿，恢复了比特币原始设计中的激励一致性。