นักขุดที่โลภมากทำลายบล็อคเชน DAG ได้อย่างไร

ตารางลิงค์

บทคัดย่อและ I. บทนำ

II. ความเป็นมา

III. การกำหนดปัญหา

IV. โซลูชันที่เน้น DAG

V. การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีเกม

VI. แบบจำลองจำลอง

VII. การประเมินผล

VIII. มาตรการตอบโต้

IX. การอภิปรายและการทำงานในอนาคต

X. งานที่เกี่ยวข้อง

XI. บทสรุปและเอกสารอ้างอิง

บทคัดย่อ — มีการเสนอโปรโตคอลฉันทามติของบล็อคเชนหลายโปรโตคอลเพื่อใช้ Directed Acyclic Graphs (DAG) เพื่อแก้ปัญหาปริมาณการประมวลผลที่จำกัดของบล็อคเชน Proof-of-Work (PoW) แบบโซ่เดียวแบบดั้งเดิม โปรโตคอลดังกล่าวจำนวนมากใช้กลยุทธ์การเลือกธุรกรรมแบบสุ่ม (RTS) (เช่น PHANTOM, GHOSTDAG, SPECTRE, Inclusive และ Prism) เพื่อหลีกเลี่ยงการทำธุรกรรมซ้ำซ้อนในบล็อคขนานใน DAG และเพิ่มปริมาณงานในเครือข่ายให้สูงสุด อย่างไรก็ตาม การวิจัยก่อนหน้านี้ไม่ได้ตรวจสอบพฤติกรรมโลภที่เน้นแรงจูงใจอย่างเข้มงวดเมื่อการเลือกธุรกรรมเบี่ยงเบนไปจากโปรโตคอล ในงานนี้ ก่อนอื่น เราจะทำการวิเคราะห์ทฤษฎีเกมทั่วไปโดยสรุปโปรโตคอลบล็อคเชนที่ใช้ DAG หลายโปรโตคอลที่ใช้กลยุทธ์ RTS และเราพิสูจน์ว่ากลยุทธ์ดังกล่าวไม่ก่อให้เกิดสมดุลของแนช ซึ่งขัดแย้งกับหลักฐานในเอกสาร Inclusive จากนั้น เราจะพัฒนาโปรแกรมจำลองบล็อคเชนที่ขยายเครื่องมือโอเพนซอร์สที่มีอยู่เพื่อรองรับโซ่หลายโซ่และสำรวจการเบี่ยงเบนจากโปรโตคอลตามแรงจูงใจ เราทำการจำลองด้วยนักขุดสิบคนเพื่อยืนยันข้อสรุปของเราจากการวิเคราะห์ตามทฤษฎีเกม การจำลองยืนยันว่าผู้กระทำที่เห็นแก่ตัวซึ่งไม่ปฏิบัติตามกลยุทธ์ RTS สามารถทำกำไรได้มากกว่านักขุดที่ซื่อสัตย์ และสร้างความเสียหายต่อปริมาณการประมวลผลของโปรโตคอล เนื่องจากธุรกรรมที่ซ้ำกันรวมอยู่ในบล็อกมากกว่าหนึ่งบล็อกของโซ่ที่แตกต่างกัน เราแสดงให้เห็นว่าผลกระทบนี้สัมพันธ์กับความล่าช้าในการแพร่กระจายเครือข่ายโดยอ้อม ในที่สุด เราแสดงให้เห็นว่านักขุดที่เห็นแก่ตัวได้รับแรงจูงใจให้สร้างกลุ่มการขุดร่วมกันเพื่อเพิ่มผลกำไรของพวกเขา สิ่งนี้จะบั่นทอนการกระจายอำนาจและทำให้การออกแบบของโปรโตคอลที่เป็นปัญหาเสื่อมถอยลง เพื่อสนับสนุนการอ้างสิทธิ์ของเราเพิ่มเติม เราได้ดำเนินการทดลองที่ซับซ้อนมากขึ้นในเครือข่ายที่คล้ายกับ Bitcoin จริงที่มีโหนดมากกว่า 7,000 โหนด

I. บทนำ

บล็อคเชนได้รับความนิยมเนื่องจากคุณสมบัติที่น่าสนใจหลายประการ เช่น การกระจายอำนาจ การไม่เปลี่ยนแปลง ความพร้อมใช้งาน ฯลฯ ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ บล็อคเชนจึงได้รับการนำไปใช้ในสาขาต่างๆ เช่น การเงิน ห่วงโซ่อุปทาน การจัดการข้อมูลประจำตัว อินเทอร์เน็ตของทุกสรรพสิ่ง ระบบไฟล์ ฯลฯ

อย่างไรก็ตาม บล็อคเชนมักจะประสบปัญหาคอขวดในการประมวลผลข้อมูล เนื่องจากต้องบรรลุฉันทามติสำหรับแต่ละบล็อคภายในเชน วิธีหนึ่งในการแก้ปัญหานี้คือการเพิ่มอัตราการสร้างบล็อค อย่างไรก็ตาม วิธีดังกล่าวมีข้อเสีย หากไม่เผยแพร่บล็อคผ่านเครือข่ายก่อนที่จะสร้างบล็อคใหม่ อาจเกิดซอ ฟต์ฟอร์กขึ้น โดยที่บล็อค ที่เกิดขึ้นพร้อมกันสองบล็อคอ้างอิงบล็อคหลักเดียวกัน ซอฟต์ฟอร์กจะได้รับการแก้ไขในเวลาอันสั้นด้วยกฎการเลือกฟอร์ก ดังนั้น ในที่สุดแล้วจะมีบล็อคเพียงหนึ่งบล็อคเท่านั้นที่ได้รับการยอมรับว่าถูกต้อง ธุรกรรมทั้งหมดในบล็อค กำพร้า (หรือที่เรียกว่า ล้าสมัย) จะถูกลบทิ้ง เป็นผลให้โหนดฉันทามติที่

สร้างบล็อกกำพร้าโดยสิ้นเปลืองทรัพยากรและไม่ได้รับรางวัล

เพื่อเป็นการตอบสนองต่อปัญหาข้างต้น มีข้อเสนอหลายข้อ (เช่น Inclusive [26], PHANTOM [44], GHOSTDAG [44], SPECTRE [43]) ที่ใช้โครงสร้างข้อมูลแบบเชื่อมโยงเดียวสำหรับ Directed Acyclic Graphs (DAG) (ไม่มีโครงสร้าง) (ดูรูปที่ 1) ในขณะที่ข้อเสนออื่นในทิศทางนี้ใช้ DAG ที่มีโครงสร้าง (เช่น Prism [6]) โครงสร้างดังกล่าวสามารถรักษาห่วงโซ่ที่เชื่อมต่อกันหลายห่วงโซ่ได้ และเพิ่มปริมาณการประมวลผลในเชิงทฤษฎี สมมติฐานของโซลูชันที่เน้น DAG ที่เกี่ยวข้องคือการละทิ้งการเลือกธุรกรรมโดยพิจารณาจากค่าธรรมเนียมที่สูงที่สุดเท่านั้น เนื่องจากแนวทางนี้เพิ่มความน่าจะเป็นที่ธุรกรรมเดียวกันจะรวมอยู่ในบล็อกมากกว่าหนึ่งบล็อกโดยสัญชาตญาณ (ต่อไปนี้จะเรียกว่า การชนกันของธุรกรรม ) แทนที่จะเป็นเช่นนั้น แนวทางเหล่านี้ใช้กลยุทธ์การเลือกธุรกรรมแบบสุ่ม (เช่น RTS) [1] เป็นส่วนหนึ่งของโปรโตคอลฉันทามติเพื่อหลีกเลี่ยงการชนกันของธุรกรรม แม้ว่าผลที่ตามมาจากการเบี่ยงเบนจากกลยุทธ์ดังกล่าวอาจดูเหมือนเป็นเรื่องที่เกิดขึ้นโดยสัญชาตญาณ แต่ยังไม่มีใครวิเคราะห์ประสิทธิภาพและความแข็งแกร่งของแนวทางที่เน้น DAG ที่เกี่ยวข้องอย่างละเอียดถี่ถ้วนภายในการศึกษาเชิงประจักษ์ที่ตรวจสอบการโจมตีแรงจูงใจในการเลือกธุรกรรม

ในงานนี้ เราเน้นที่ผลกระทบของผู้กระทำที่โลภมาก[**2] ในการออกแบบโปรโตคอลฉันทามติที่เน้น DAG หลายแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราศึกษาสถานการณ์ที่ผู้โจมตี (หรือผู้โจมตีหลายคน) เบี่ยงเบนจากโปรโตคอลโดยไม่ปฏิบัติตามกลยุทธ์ RTS ที่สันนิษฐานโดยแนวทางที่เน้น DAG สองสามแนวทาง [26], [44], [44], [43], [6] จากแนวทางเหล่านี้ PHANTOM [44], GHOSTDAG [44] และ SPECTRE [43] ใช้ RTS ที่แนะนำใน Inclusive [26] ซึ่งการวิเคราะห์ทฤษฎีเกม (และสมมติฐานที่ขาดหายไปเกี่ยวกับการสร้างพูลการขุด) ของเราขัดแย้งกันในงานนี้ ในทางตรงกันข้าม Prism [6]

ไม่ให้การวิเคราะห์ที่เน้นแรงจูงใจใดๆ และด้วยเหตุนี้จึงไม่แสดงให้เห็นว่ามีความต้านทานต่อการโจมตีโดยเน้นแรงจูงใจใดๆ ที่เกิดจากการเลือกธุรกรรม อย่างไรก็ตาม งานทั้งสองประเภทใช้ RTS และทำให้เราสามารถสรุปรายละเอียดและเน้นการสร้างแบบจำลองและการวิเคราะห์ในแง่มุมนี้

เราตั้งสมมติฐานว่าผู้โจมตีที่เบี่ยงเบนจากกลยุทธ์ RTS อาจมีผลที่สำคัญสองประการ ประการแรก ผู้โจมตีดังกล่าวอาจได้รับผลตอบแทนที่มากขึ้นเมื่อเทียบกับผู้เข้าร่วมที่ซื่อสัตย์ ประการที่สอง ผู้โจมตีดังกล่าวจะส่งผลเสียต่อปริมาณธุรกรรมเนื่องจาก ธุรกรรมมีการปะทะ กันมากขึ้น เราตรวจสอบและพิสูจน์สมมติฐานของเราในการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีเกมและแสดงให้เห็นว่า RTS ไม่ก่อให้เกิดสมดุลของแนช ตามคำศัพท์ทางวิวัฒนาการ ประชากรของนักขุดที่ปฏิบัติตามโปรโตคอลที่เป็นปัญหาจะไม่ได้รับการคุ้มกันจากผู้โจมตี (กลายพันธุ์) ต่อไป เรายืนยันข้อสรุปจากการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีเกมด้วยการทดลองจำลองไม่กี่ครั้ง โดยเราเน้นที่ DAG-PROTOCOL แบบแยกส่วนซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากการออกแบบที่มีอยู่

Contributions . ผลงานที่ได้นำมาลงมีดังนี้:

1. เราตั้งสมมติฐานว่าการไม่ปฏิบัติตามกลยุทธ์ RTS ในโปรโตคอลที่ใช้ DAG ที่เกี่ยวข้องจะส่งผลเสียต่อผลกำไรที่เกี่ยวข้องของนักขุดที่ซื่อสัตย์และปริมาณงานที่มีประสิทธิผลของเครือข่าย

   
   

2. สมมติฐานได้รับการพิสูจน์โดยใช้การวิเคราะห์ทฤษฎีเกมที่เน้นไปที่สถานการณ์ที่เป็นไปได้ทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับสองปัจจัย ได้แก่ นักขุดที่ซื่อสัตย์ที่ทำตาม RTS และนักขุดที่โลภที่เบี่ยงเบนไปจาก RTS เราสรุปได้ว่ากลยุทธ์ RTS ไม่ก่อให้เกิดสมดุลของแนช

   
   

3. เราสร้างโปรแกรมจำลองแบบกำหนดเองซึ่งขยายเครื่องมือจำลองโอเพ่นซอร์สเพื่อพิจารณาเครือข่ายต่างๆ และโครงการจูงใจต่างๆ และช่วยให้เราสามารถตรวจสอบคุณสมบัติของโปรโตคอลที่ใช้ DAG ที่เกี่ยวข้องได้

   
   

4. เราได้ทำการทดลองกับ DAGPROTOCOL แบบแยกส่วน และพบว่าผู้กระทำที่เห็นแก่ตัวซึ่งเลือกธุรกรรมตามค่าธรรมเนียมที่สูงที่สุดจะมีข้อได้เปรียบอย่างมากในการทำกำไรเมื่อเทียบกับนักขุดที่ซื่อสัตย์ที่ทำตาม RTS

   
   

5. ถัดไป เราจะสาธิตด้วยการทดลองดูว่าผู้มีบทบาทโลภหลายรายสามารถลดปริมาณงานธุรกรรมที่มีประสิทธิภาพได้อย่างมีนัยสำคัญโดยเพิ่มอัตราการชนกันของธุรกรรมระหว่างห่วงโซ่คู่ขนานของ DAG

   
   

6. เราแสดงให้เห็นว่าผู้ที่กระทำการอย่างโลภนั้นมีแรงจูงใจอย่างมากในการจัดตั้งกลุ่มการขุดเพื่อเพิ่มผลกำไรของตนเอง ซึ่งจะทำให้การกระจายอำนาจของการออกแบบที่เน้น DAG ที่เกี่ยวข้องลดน้อยลง

1. โปรดทราบว่า RTS เกี่ยวข้องกับความสุ่มบางอย่างในการเลือกธุรกรรม แต่ไม่จำเป็นต้องเท่ากับการเลือกธุรกรรมแบบสุ่มสม่ำเสมอ (เพื่อให้สอดคล้องกับผลงานที่ใช้ Inclusive [26] เช่น PHANTOM, GHOSTDAG [44], SPECTRE [43] เช่นเดียวกับการใช้งาน GHOSTDAG ที่เรียกว่า Kaspa [42])

2. นักแสดงโลภจะเบี่ยงเบนออกจากพิธีการเพื่อเพิ่มผลกำไรของพวกเขา