[论文解读] On the Preliminary Investigation of Selfish Mining Strategy with Multiple Selfish Miners

Tin Leelavimolsilp, Tran-Thanh, Long+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 6被引用 9

一句话总结

本文研究了当多个矿工独立采用自私挖矿策略时比特币中的自私挖矿行为，提出了一种考虑并发性的模型，更真实地反映现实挖矿场景。研究发现，有效自私挖矿的最低算力阈值会随自私矿工数量的增加而成比例降低，且存在纳什均衡状态，即所有自私矿工在不转向诚实挖矿的情况下均能获得超过其应得份额的收益。

ABSTRACT

Eyal and Sirer's selfish mining strategy has demonstrated that Bitcoin system is not secure even if 50% of total mining power is held by altruistic miners. Since then, researchers have been investigating either to improve the efficiency of selfish mining, or how to defend against it, typically in a single selfish miner setting. Yet there is no research on a selfish mining strategies concurrently used by multiple miners in the system. The effectiveness of such selfish mining strategies and their required mining power under such multiple selfish miners setting remains unknown. In this paper, a preliminary investigation and our findings of selfish mining strategy used by multiple miners are reported. In addition, the conventional model of Bitcoin system is slightly redesigned to tackle its shortcoming: namely, a concurrency of individual mining processes. Although a theoretical analysis of selfish mining strategy under this setting is yet to be established, the current findings based on simulations is promising and of great interest. In particular, our work shows that a lower bound of power threshold required for selfish mining strategy decreases in proportion to a number of selfish miners. Moreover, there exist Nash equilibria where all selfish miners in the system do not change to an honest mining strategy and simultaneously earn their unfair amount of mining reward given that they equally possess sufficiently large mining power. Lastly, our new model yields a power threshold for mounting selfish mining strategy slightly greater than one from the conventional model.

研究动机与目标

• 研究当多个矿工同时采用该策略时自私挖矿的有效性，这一场景在以往研究中尚未被探讨。
• 解决传统比特币模型的局限性，即假设挖矿过程为串行，无法捕捉独立挖矿过程在现实中的并发性。
• 确定在多个自私矿工存在的情况下，自私挖矿是否仍具可行性，以及所需的算力阈值是多少。
• 分析是否存在纳什均衡，使得自私矿工集体获得不公平收益而不转向诚实挖矿。
• 评估以往理论估算的自私挖矿算力阈值是否因建模假设过于简化而被低估。

提出的方法

• 提出一种改进的比特币模型，考虑个体挖矿过程中存在的并发性，即矿工可独立构建并扩展其本地区块链。
• 引入基于仿真的方法，评估在不同自私矿工与诚实矿工配置下的挖矿收益分配情况。
• 使用蒙特卡洛模拟，通过重复试验（100至200次）估算平均收益及其95%置信区间。
• 将新模型下的结果与传统模型进行对比，评估算力阈值估算的差异。
• 使用热力图和折线图可视化不同算力分配下收益结果的变化。
• 通过测试自私矿工具有相等或不同算力的配置，分析均衡条件，并评估在高算力水平下的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当多个自私矿工共存时，自私矿工获得不公平收益所需的最低算力阈值如何变化？
• RQ2 在何种条件下，多个自私矿工能同时获得超过其按比例应得收益的纳什均衡存在？
• RQ3 个体挖矿过程的并发性相较于传统模型，如何影响自私挖矿的算力阈值估算？
• RQ4 自私矿工之间算力分配均等对收益分配的稳定性和公平性有何影响？
• RQ5 安全阈值（即完全防御自私挖矿所需的算力）是否与自私矿工的数量无关？

主要发现

• 为使自私矿工获得不公平收益，其所需的最低算力阈值与系统中自私矿工的数量成比例下降。
• 当多个自私矿工具有足够大且相等的算力时，存在纳什均衡，使得他们能同时获得超过其应得份额的收益，且无需转向诚实挖矿。
• 自私挖矿的算力阈值上限恒定为0.5，无论自私矿工数量多少。
• 新提出的并发性感知模型得出的自私挖矿算力阈值略高于传统模型，表明以往估算可能低估了实际所需的算力。
• 当自私矿工具有相等算力且超过0.33时，收益结果变得不稳定，若算力超过0.43，收益可能低于其按比例应得份额。
• 即使存在多个自私矿工，若诚实矿工算力不超过总算力的47%，系统仍完全易受自私挖矿攻击。