貪欲なマイナーがDAGブロックチェーンを破壊する方法

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要約とI. はじめに

II. 背景

III. 問題の定義

IV. DAG指向のソリューション

V. ゲーム理論的分析

VI. シミュレーションモデル

VII. 評価

VIII. 対策

IX. 議論と今後の課題

X. 関連研究

XI. 結論と参考文献

要約— いくつかのブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、従来のシングルチェーンプルーフオブワーク（PoW）ブロックチェーンの限られた処理スループットを解決するために、有向非巡回グラフ（DAG）の使用を提案しました。そのようなプロトコルの多くは、ランダムトランザクション選択（RTS）戦略（PHANTOM、GHOSTDAG、SPECTRE、Inclusive、Prismなど）を利用して、DAG内の並列ブロック間でのトランザクションの重複を回避し、ネットワークスループットを最大化します。しかし、これまでの研究では、トランザクション選択がプロトコルから逸脱した場合のインセンティブ指向の貪欲な動作を厳密に調査していませんでした。この研究では、まず、RTS戦略を使用するいくつかのDAGベースのブロックチェーンプロトコルを抽象化した一般的なゲーム理論的分析を実行し、そのような戦略がナッシュ均衡を構成しないことを証明します。これは、Inclusiveの論文の証明と矛盾しています。次に、既存のオープンソースツールを拡張して複数のチェーンをサポートし、プロトコルからのインセンティブベースの逸脱を調査するブロックチェーンシミュレーターを開発します。ゲーム理論分析から得た結論を確認するために、10 人のマイナーでシミュレーションを実行しました。シミュレーションでは、RTS 戦略に従わない貪欲なアクターは正直なマイナーよりも利益を上げ、重複したトランザクションが異なるチェーンの複数のブロックに含まれるため、プロトコルの処理スループットに悪影響を与えることが確認されました。この影響は、ネットワークの伝播遅延に反比例することを示しています。最後に、貪欲なマイナーは利益を増やすために共有マイニング プールを形成するよう動機付けられていることを示しています。これは分散化を損ない、問題のプロトコルの設計を劣化させます。私たちの主張をさらに裏付けるために、7000 を超えるノードを持つ現実的なビットコインのようなネットワークでより複雑な実験を実行します。

1. はじめに

ブロックチェーンは、分散化、不変性、可用性など、いくつかの興味深い特性を備えているため人気が高まっています。これらの特性のおかげで、ブロックチェーンは金融、サプライチェーン、アイデンティティ管理、モノのインターネット、ファイルシステムなど、さまざまな分野で採用されてきました。

それにもかかわらず、ブロックチェーンは本質的に処理スループットのボトルネックに悩まされています。なぜなら、チェーン内の各ブロックについて合意に達しなければならないからです。この問題を解決する方法の 1 つは、ブロック作成率を上げることです。しかし、この方法には欠点があります。新しいブロックが作成される前にブロックがネットワークに伝播されない場合、2 つの同時ブロックが同じ親ブロックを参照するソフトフォークが発生する可能性があります。ソフトフォークはフォーク選択ルールによって短時間で解決されるため、最終的に 1 つのブロックのみが有効として受け入れられます。孤立した(つまり、古い) ブロック内のすべてのトランザクションは破棄されます。その結果、

作成された孤立したブロックはリソースを無駄にし、報酬も得られませんでした。

上記の問題への対応として、いくつかの提案（Inclusive [26]、PHANTOM [44]、GHOSTDAG [44]、SPECTRE [43]など）では、（非構造化）有向非巡回グラフ（DAG）（図1を参照）を単一の連鎖データ構造に置き換えており、この方向の別の提案では構造化DAG（すなわち、Prism [6]）を採用しています。このような構造は、複数の相互接続されたチェーンを維持できるため、理論的には処理スループットが向上します。関連するDAG指向のソリューションの前提は、最高手数料のみに基づいたトランザクション選択を放棄することです。このアプローチでは、同じトランザクションが複数のブロックに含まれる可能性（以下、トランザクション衝突）が直感的に高くなるためです。代わりに、これらのアプローチでは、コンセンサスプロトコルの一部としてランダムトランザクション選択（すなわち、RTS）[1]戦略を使用して、トランザクション衝突を回避します。このような戦略から逸脱した場合の結果は直感的にわかるかもしれませんが、トランザクション選択に対するインセンティブ攻撃を調査する実証的研究の中で、関係する DAG 指向のアプローチのパフォーマンスと堅牢性を徹底的に分析した人は誰もいません。

本研究では、いくつかのDAG指向のコンセンサスプロトコル設計における貪欲なアクターの影響に焦点を当てています。特に、攻撃者（または攻撃者ら）が、いくつかのDAG指向のアプローチ[26]、[44]、[44]、[43]、[6]で想定されているRTS戦略に従わずにプロトコルから逸脱する状況を研究します。これらのアプローチのうち、PHANTOM [44]、GHOSTDAG、[44]、SPECTRE [43]は、Inclusive [26]で導入されたRTSを利用しています。この研究では、そのゲーム理論的分析（およびマイニングプールの作成に関する欠落した仮定）に反論します。対照的に、Prism [6]

インセンティブ指向の分析は提供されておらず、トランザクション選択に基づくインセンティブ攻撃に対する耐性があることは示されていません。ただし、両方の研究ラインは RTS を採用しているため、詳細を抽象化し、この側面のモデル化と分析に集中することができます。

RTS 戦略から逸脱する攻撃者は、2 つの重大な結果をもたらす可能性があるという仮説を立てました。まず、そのような攻撃者は、正直な参加者と比較して、より大きな報酬を得ることができます。次に、そのような攻撃者は、トランザクションの衝突が増加するため、トランザクションのスループットに悪影響を及ぼします。ゲーム理論分析で仮説を検証および証明し、RTS がナッシュ均衡を構成しないことを示します。進化論の用語で言えば、問題のプロトコルに従うマイナーの集団は、攻撃者 (ミュータント) に対して免疫があるわけではありません。次に、ゲーム理論分析からの結論をいくつかのシミュレーション実験で実証します。ここでは、既存の設計に触発された抽象化された DAG プロトコルに焦点を当てます。

貢献. この研究の貢献は次のとおりです。

1. 関連する DAG ベースのプロトコルで RTS 戦略に従わないと、正直なマイナーの相対的な利益とネットワークの有効スループットに悪影響が及ぶと仮定します。

   
   

2. この仮説は、RTS に従う正直なマイナーとそれから逸脱する貪欲なマイナーという 2 人のアクターが関与するすべてのシナリオに焦点を当てたゲーム理論的分析を使用して検証されます。RTS 戦略はナッシュ均衡を構成しないと結論付けられます。

   
   

3. 私たちは、オープンソースのシミュレーション ツールを拡張して複数のチェーンとさまざまなインセンティブ スキームを考慮し、関連する DAG ベースのプロトコルの特性を調査できるカスタム シミュレーターを構築します。

   
   

4. 抽象化された DAGPROTOCOL で実験を実行し、最も高い手数料に基づいてトランザクションを選択する貪欲なアクターは、RTS に従う正直なマイナーと比較して、利益を上げる上で大きな利点があることが確認されました。

   
   

5. 次に、複数の貪欲なアクターが DAG の並列チェーン全体でトランザクションの衝突率を増加させることで、有効なトランザクション スループットを大幅に削減できることを実験によって実証します。

   
   

6. 貪欲な行為者は、相対的な利益を増やすためにマイニング プールを形成する大きなインセンティブを持っていることが示され、それが関係する DAG 指向の設計の分散化を低下させます。

1. RTSではトランザクション選択に一定のランダム性が伴いますが、必ずしも均一にランダムなトランザクション選択が行われるわけではないことに注意してください（PHANTOM、GHOSTDAG [44]、SPECTRE [43]などのInclusive [26]を利用した研究や、Kaspa [42]と呼ばれるGHOSTDAGの実装と一致します）。

2. 貪欲な行為者は利益を増やすためにプロトコルから逸脱します。