Cât de lacomi minerii sparg blockchain-urile DAG

Tabelul de legături

Rezumat și I. Introducere

II. Fundal

III. Definirea problemei

IV. Soluții orientate către DAG

V. Analiza teoretică a jocurilor

VI. Model de simulare

VII. Evaluare

VIII. Contramăsuri

IX. Discuții și lucrări viitoare

X. Lucrări conexe

XI. Concluzie și referințe

Rezumat — Câteva protocoale de consens blockchain au propus utilizarea graficelor aciclice direcționate (DAG) pentru a rezolva debitul limitat de procesare al blockchain-urilor tradiționale Proof-of-Work (PoW) cu un singur lanț. Multe astfel de protocoale utilizează o strategie de selecție aleatorie a tranzacțiilor (RTS) (de exemplu, PHANTOM, GHOSTDAG, SPECTRE, Inclusive și Prism) pentru a evita duplicarea tranzacțiilor în blocuri paralele din DAG și, astfel, pentru a maximiza debitul rețelei. Cu toate acestea, cercetările anterioare nu au examinat riguros comportamentele lacome orientate spre stimulente atunci când selecția tranzacțiilor se abate de la protocol. În această lucrare, efectuăm mai întâi o analiză generică de teoretică a jocului, făcând abstracție de mai multe protocoale blockchain bazate pe DAG care utilizează strategia RTS și demonstrăm că o astfel de strategie nu constituie un echilibru Nash, ceea ce este în contradicție cu demonstrația din lucrarea Inclusive. . Apoi, dezvoltăm un simulator blockchain care extinde instrumentele opensource existente pentru a sprijini mai multe lanțuri și pentru a explora abaterile de la protocol bazate pe stimulente. Efectuăm simulări cu zece mineri pentru a confirma concluzia noastră din analiza teoretică a jocului. Simulările confirmă că actorii lacomi care nu urmează strategia RTS pot profita mai mult decât minerii cinstiți și pot dăuna procesului de procesare al protocolului, deoarece tranzacțiile duplicate sunt incluse în mai mult de un bloc de lanțuri diferite. Arătăm că acest efect este indirect proporțional cu întârzierea de propagare a rețelei. În cele din urmă, arătăm că minerii lacomi sunt stimulați să formeze un pool minier comun pentru a-și crește profiturile. Acest lucru subminează descentralizarea și degradează proiectarea protocoalelor în cauză. Pentru a ne susține în continuare afirmațiile, executăm experimente mai complexe pe o rețea realistă asemănătoare Bitcoin cu mai mult de 7000 de noduri.

I. INTRODUCERE

Blockchain-urile au devenit populare datorită mai multor proprietăți interesante pe care le oferă, precum descentralizarea, imuabilitatea, disponibilitatea etc. Datorită acestor proprietăți, blockchain-urile au fost adoptate în diverse domenii, precum finanțe, lanțuri de aprovizionare, managementul identității, internetul obiectelor, sisteme de fișiere etc.

Cu toate acestea, blockchain-urile suferă în mod inerent de blocajul procesării, deoarece trebuie să se ajungă la un consens pentru fiecare bloc din lanț. O abordare pentru a rezolva această problemă este creșterea ratei de creare a blocurilor. Cu toate acestea, o astfel de abordare are dezavantaje. Dacă blocurile nu sunt propagate prin rețea înainte de crearea unui nou bloc, poate apărea o furcătură soft , în care două blocuri concurente fac referire la același bloc părinte. O furcătură moale este rezolvată într-un timp scurt printr-o regulă de alegere a furcăturii și, astfel, un singur bloc este în cele din urmă acceptat ca valabil. Toate tranzacțiile dintr-un bloc orfan (aka, învechit) sunt eliminate. Ca urmare, consensul notează că

au creat blocuri orfane și-au irosit resursele și nu au fost recompensate.

Ca răspuns la problema de mai sus, mai multe propuneri (de exemplu, Inclusive [26], PHANTOM [44], GHOSTDAG [44], SPECTRE [43]) au înlocuit cu o singură structură de date de înlănțuire graficele aciclice direcționate (DAG) (nestructurate). (vezi Fig. 1), în timp ce o altă propunere în această direcție a folosit DAG structurat (adică, Prism [6]). O astfel de structură poate menține mai multe lanțuri interconectate și astfel, teoretic, poate crește debitul de procesare. Ipoteza soluțiilor orientate către DAG în cauză este de a abandona selecția tranzacțiilor doar pe baza celor mai mari comisioane, deoarece această abordare crește intuitiv probabilitatea ca aceeași tranzacție să fie inclusă în mai mult de un bloc (denumită în continuare coliziune de tranzacție ). În schimb, aceste abordări folosesc strategia de selecție aleatorie a tranzacțiilor (adică, RTS)[1] ca parte a protocolului de consens pentru a evita coliziunile tranzacțiilor. Deși consecințele devierii de la o astfel de strategie ar putea părea intuitive, nimeni nu a analizat încă în detaliu performanța și robustețea abordărilor orientate către DAG în cauză în cadrul unui studiu empiric care investighează atacurile stimulative asupra selecției tranzacțiilor.

În această lucrare, ne concentrăm asupra impactului actorilor **lacomi[**2] în mai multe modele de protocoale de consens orientate spre DAG. În special, studiem situația în care un atacator (sau atacatori) se abate de la protocol prin nerespectarea strategiei RTS care este asumată de câteva abordări orientate către DAG [26], [44], [44], [43], [6]. Dintre aceste abordări, PHANTOM [44], GHOSTDAG [44] și SPECTRE [43] utilizează RTS care a fost introdus în Inclusive [26] – a cărui analiză teoretică a jocului (și ipoteza lipsă despre crearea unui pool minier) o contrazicem în acest sens. lucru. În schimb, Prism [6]

nu oferă nicio analiză orientată spre stimulente și, prin urmare, nu a arătat că este rezistentă la orice atacuri de stimulente bazate pe selecția tranzacției. Cu toate acestea, ambele linii de lucrări folosesc RTS și astfel ne permit să le abstragem detaliile și să ne concentrăm pe modelarea și analiza acestui aspect.

Facem o ipoteză care afirmă că atacatorul care se abate de la strategia RTS ar putea avea două consecințe semnificative. În primul rând, un astfel de atacator poate câștiga recompense mai mari în comparație cu participanții cinstiți. În al doilea rând, un astfel de atacator dăunează debitului tranzacției, deoarece coliziunea tranzacției crește. Verificăm și demonstrăm ipoteza noastră într-o analiză teoretică a jocului și arătăm că RTS nu constituie echilibrul Nash. Spusă în terminologia evoluționistă, o populație de mineri care respectă protocoalele în cauză nu este imună împotriva atacatorului (mutantului). În continuare, susținem concluziile din analiza teoretică a jocurilor prin câteva experimente de simulare, în care ne concentrăm pe un DAG-PROTOCOL abstract, inspirat de modelele existente.

Contributii . Contribuțiile acestei lucrări sunt următoarele:

1. Emitem ipoteza că nerespectarea strategiei RTS în protocoalele bazate pe DAG afectează negativ profitul relativ al minerilor cinstiți și debitul efectiv al rețelei.

   
   

2. Ipoteza este validată folosind analiza teoretică a jocului concentrându-se pe toate scenariile posibile care implică doi actori: un miner cinstit care urmează RTS și un miner lacom care se abate de la acesta. Concluzionăm că strategia RTS nu constituie echilibrul Nash.

   
   

3. Construim un simulator personalizat care extinde instrumentele de simulare open-source pentru a lua în considerare mai multe lanțuri și diverse scheme de stimulare și, astfel, ne permite să investigăm proprietățile protocoalelor bazate pe DAG în cauză.

   
   

4. Executăm experimente pe un DAGPROTOCOL abstract, iar acestea confirmă că un actor lacom care selectează tranzacțiile pe baza celui mai mare comision are un avantaj semnificativ în a obține profit în comparație cu minerii cinstiți care urmează RTS.

   
   

5. În continuare, demonstrăm prin experimente că mai mulți actori lacomi pot reduce semnificativ debitul efectiv al tranzacțiilor prin creșterea ratei de coliziune a tranzacțiilor în lanțurile paralele de DAG-uri.

   
   

6. Arătăm că actorii lacomi au un stimulent semnificativ pentru a forma un pool minier pentru a-și crește profiturile relative, ceea ce degradează descentralizarea proiectelor orientate către DAG în cauză.

1. Rețineți că RTS implică o anumită aleatorie în selecția tranzacțiilor, dar nu este neapărat egal cu o selecție uniformă aleatorie a tranzacțiilor (pentru a fi în conformitate cu lucrările care utilizează Inclusive [26], cum ar fi PHANTOM, GHOSTDAG [44], SPECTRE [43], de asemenea ca implementare a GHOSTDAG numit Kaspa [42]).

2. Actorii lacomi se abat de la protocol pentru a-și crește profiturile.