[论文解读] Selfish Mining in Ethereum

Jianyu Niu, Chen Feng|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 15被引用 12

一句话总结

本文提出一种二维马尔可夫模型，用于分析以太坊中的自私挖矿行为，考虑了叔块和侄子块奖励——这是与比特币的关键差异。研究发现，以太坊中自私挖矿的盈利阈值低于比特币（25%），在特定条件下约为16.3%，表明由于其奖励结构，以太坊更容易受到此类攻击。

ABSTRACT

As the second largest cryptocurrency by market capitalization and today's biggest decentralized platform that runs smart contracts, Ethereum has received much attention from both industry and academia. Nevertheless, there exist very few studies about the security of its mining strategies, especially from the selfish mining perspective. In this paper, we aim to fill this research gap by analyzing selfish mining in Ethereum and understanding its potential threat. First, we introduce a 2-dimensional Markov process to model the behavior of a selfish mining strategy inspired by a Bitcoin mining strategy proposed by Eyal and Sirer. Second, we derive the stationary distribution of our Markov model and compute long-term average mining rewards. This allows us to determine the threshold of computational power that makes selfish mining profitable in Ethereum. We find that this threshold is lower than that in Bitcoin mining (which is 25% as discovered by Eyal and Sirer), suggesting that Ethereum is more vulnerable to selfish mining than Bitcoin.

研究动机与目标

• 为解决以太坊中自私挖矿研究不足的问题，特别是考虑到其独特的叔块和侄子块奖励机制。
• 采用基于概率的状态化方法，对以太坊中自私挖矿策略的盈利性进行建模与量化。
• 确定自私挖矿池为超越诚实挖矿而需具备的最低算力阈值。
• 评估以太坊协议参数（如EIP100）对自私挖矿攻击脆弱性的影响。
• 为提升以太坊挖矿安全性，提供理论与仿真相结合的深入见解。

提出的方法

• 构建一个二维连续时间马尔可夫过程，用于建模自私挖矿池与公共链的状态，同时追踪该池的私有链长度与公共链长度。
• 采用概率化奖励追踪方法，以反映叔块和侄子块奖励的随机性，这些因素在单维确定性模型中未被捕捉。
• 推导马尔可夫链的平稳分布，以计算自私挖矿者与诚实挖矿者在长期的平均挖矿奖励。
• 计算自私挖矿相较于诚实挖矿更具盈利性的算力占比（占全网算力的比例）阈值。
• 通过大量仿真验证理论结果在不同网络条件与协议参数下的有效性。
• 分析不同区块引用距离与奖励结构对自私挖矿盈利性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 自私挖矿池在以太坊中实现长期收益高于诚实挖矿所需的最低算力占比是多少？
• RQ2 以太坊中的叔块与侄子块奖励如何影响自私挖矿的盈利性与盈利阈值，相较于比特币有何不同？
• RQ3 二维马尔可夫模型如何在捕捉具有奖励激励的自私挖矿动态方面优于现有的一维确定性模型？
• RQ4 如EIP100等协议变更如何影响以太坊对自私挖矿攻击的脆弱性？
• RQ5 叔块引用行为对以太坊挖矿生态系统的安全性和稳定性有何影响？

主要发现

• 在场景2下，以太坊中自私挖矿的盈利阈值约为全网算力的16.3%，显著低于比特币的25%阈值。
• 叔块与侄子块奖励的存在增加了以太坊对自私挖矿的脆弱性，尽管其底层工作量证明机制与比特币相似，但以太坊更易受攻击。
• 仿真结果证实了理论预测：当挖矿池的算力超过推导出的阈值时，自私挖矿策略能带来更高的长期收益。
• 诚实挖矿者产生的叔块分布随引用距离变化：当α=0.3时，每区块的预期叔块数为1.75；当α=0.45时，增加至2.72。
• 该模型表明，对奖励进行概率化追踪对于准确捕捉叔块奖励的影响至关重要，而确定性模型无法准确反映这一点。
• 研究结果表明，挖矿难度调整机制必须考虑叔块动态，以防止自私挖矿攻击的脆弱性进一步增加。