Modelling the dynamics of the bitcoin blockchain
Date
2016-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT : Bitcoin is a peer to peer (P2P) electronic payment system proposed by
Nakamoto in 2008. Central to the operation of Bitcoin is the blockchain, which
is, in essence, a public ledger of all transactions. The blockchain is maintained
by a group of volunteers called miners, who are rewarded with bitcoins for
successfully mining blocks. Mining a block involves collecting and validating
transactions, adding validated transactions to a block, and finally adding the
block to the blockchain and broadcasting the block to the peer network.
The purpose of this thesis is to examine the profitability of block discarding
attacks in the Bitcoin network. To this end, we developed a discrete event
simulator to model the dynamics of the blockchain. We use a simplistic network
model where all participants are miners. Initially, our investigation focusses
on a model where all miners are honest, following the Bitcoin rules, and all
block transmissions are subject to delays. We show that the delays cause forks
to occur in the blockchain, which are quickly resolved. The simulation results
for our network model closely agree with those observed from the real Bitcoin
network.
We then examine a block discarding attack referred to as selfish-mine [32],
where it is claimed that a small group of colluding miners can subvert the
Bitcoin protocol. We evaluate this claim using relative revenue (the fraction of
the total revenue that is credited to the pool of colluding miners) and confirmed
blocks (the absolute number of blocks credited to the pool of colluding miners
at the end of a mining period) for the case where there is instantaneous block
transmission, and the case where block transmission is subject to delays. We
show that this claim is true for the first case. However, for the latter case,
selfish-mine is only profitable (in terms of the relative revenue) when the pool
commands more than 30% of the total computing power of the network. We further show that a higher relative revenue does not necessarily entail a larger
number of confirmed blocks and that the presence of selfish-mine causes both
the honest and the dishonest miners to fare worse.
Finally we present a generalized form of selfish-mine, representing a greater
variety of block discarding attacks, and use a genetic algorithm to search for
an optimal configuration of the generalized selfish-mine that yields a better
performance for the pool. We attempt to maximize either the relative revenue
or the number of confirmed blocks. Our results show that the generalized
form of selfish-mine when optimally configured yields better performance than
standard selfish-mine, both in terms of the relative revenue and confirmed
blocks.
AFRIKAANSE OPSOMMING : Bitcoin is 'n stelsel vir elektroniese betalings van portuur tot portuur (P2P) waarmee Nakamoto in 2008 vorendag gekom het. Die werking van Bitcoin draai om die blokketting, wat in wese 'n openbare grootboek van alle transaksies is. Die blokketting word bygehou deur 'n groep vrywilligers wat as myners bekend is, wat met bitcoins beloon word indien hulle blokke suksesvol ontgin. Die ontginning van 'n blok behels die insameling en stawing van transaksies, waarna gestaafde transaksies by 'n blok bygevoeg, die blok aan die blokketting gehaak en dan na die P2Pnetwerk versend word. Die doel van hierdie tesis is om die winsgewendheid van blokverwerpingsaanvalle in die Bitcoin-netwerk te ondersoek. Hiervoor is 'n diskrete gebeurtenissimuleerder ontwikkel om die dinamiek van die blokketting te modelleer. 'n Simplistiese netwerkmodel word gebruik waarin alle deelnemers myners is. Aanvanklik konsentreer die ondersoek op 'n model waarin alle myners eerlik is en die Bitcoin-reëls volg, en waarin alle blokversendings aan vertragings onderworpe is. Daar word aangetoon dat die vertragings vertakkings in die blokketting veroorsaak, wat vinnig uitgestryk word. Die simulasieresultate uit die netwerkmodel stem grootliks ooreen met wat in die werklike Bitcoinnetwerk waargeneem word. Daarna word 'n blokverwerpingsaanval wat as 'selfsugtige ontginning' bekend is [32], ondersoek, waar 'n klein groep myners na bewering kan saamspan om die Bitcoin-protokol te ondermyn. Hierdie bewering word beoordeel aan die hand van relatiewe inkomste (die fraksie van totale inkomste wat aan die betrokke groep myners toegeskryf kan word) en bevestigde blokke (die absolute getal blokke wat aan die einde van 'n ontginningstydperk aan die groep myners toegeskryf kan word) in 'n scenario van onmiddellike blokversending sowel as 'n scenario waar blokversending aan vertragings onderworpe is. Daar word aangetoon dat hierdie bewering waar is in die eerste scenario. In die tweede scenario is selfsugtige ontginning slegs winsgewend (wat relatiewe inkomste betref) indien die groep meer as 30% van die algehele berekeningsvermoë van die netwerk beheer. Die studie toon ook dat 'n hoër relatiewe inkomste nie noodwendig 'n groter getal bevestigde blokke behels nie, en dat die aanwesigheid van selfsugtige ontginning eerlike sowel as oneerlike myners se prestasie verswak. Laastens word 'n veralgemeende vorm van selfsugtige ontginning aangebied wat 'n groter verskeidenheid blokverwerpingsaanvalle voorstel. 'n Genetiese algoritme word gebruik om 'n optimale konfigurasie van die veralgemeende selfsugtige ontginning te bepaal wat 'n beter prestasie vir die groep oplewer. Hiervoor probeer die navorser hetsy die relatiewe inkomste of die getal bevestigde blokke maksimaliseer. Die resultate toon dat die veralgemeende vorm van selfsugtige ontginning in die optimale konfigurasie beter prestasie as standaardselfsugtige ontginning oplewer wat relatiewe inkomste sowel as bevestigde blokke betref.
AFRIKAANSE OPSOMMING : Bitcoin is 'n stelsel vir elektroniese betalings van portuur tot portuur (P2P) waarmee Nakamoto in 2008 vorendag gekom het. Die werking van Bitcoin draai om die blokketting, wat in wese 'n openbare grootboek van alle transaksies is. Die blokketting word bygehou deur 'n groep vrywilligers wat as myners bekend is, wat met bitcoins beloon word indien hulle blokke suksesvol ontgin. Die ontginning van 'n blok behels die insameling en stawing van transaksies, waarna gestaafde transaksies by 'n blok bygevoeg, die blok aan die blokketting gehaak en dan na die P2Pnetwerk versend word. Die doel van hierdie tesis is om die winsgewendheid van blokverwerpingsaanvalle in die Bitcoin-netwerk te ondersoek. Hiervoor is 'n diskrete gebeurtenissimuleerder ontwikkel om die dinamiek van die blokketting te modelleer. 'n Simplistiese netwerkmodel word gebruik waarin alle deelnemers myners is. Aanvanklik konsentreer die ondersoek op 'n model waarin alle myners eerlik is en die Bitcoin-reëls volg, en waarin alle blokversendings aan vertragings onderworpe is. Daar word aangetoon dat die vertragings vertakkings in die blokketting veroorsaak, wat vinnig uitgestryk word. Die simulasieresultate uit die netwerkmodel stem grootliks ooreen met wat in die werklike Bitcoinnetwerk waargeneem word. Daarna word 'n blokverwerpingsaanval wat as 'selfsugtige ontginning' bekend is [32], ondersoek, waar 'n klein groep myners na bewering kan saamspan om die Bitcoin-protokol te ondermyn. Hierdie bewering word beoordeel aan die hand van relatiewe inkomste (die fraksie van totale inkomste wat aan die betrokke groep myners toegeskryf kan word) en bevestigde blokke (die absolute getal blokke wat aan die einde van 'n ontginningstydperk aan die groep myners toegeskryf kan word) in 'n scenario van onmiddellike blokversending sowel as 'n scenario waar blokversending aan vertragings onderworpe is. Daar word aangetoon dat hierdie bewering waar is in die eerste scenario. In die tweede scenario is selfsugtige ontginning slegs winsgewend (wat relatiewe inkomste betref) indien die groep meer as 30% van die algehele berekeningsvermoë van die netwerk beheer. Die studie toon ook dat 'n hoër relatiewe inkomste nie noodwendig 'n groter getal bevestigde blokke behels nie, en dat die aanwesigheid van selfsugtige ontginning eerlike sowel as oneerlike myners se prestasie verswak. Laastens word 'n veralgemeende vorm van selfsugtige ontginning aangebied wat 'n groter verskeidenheid blokverwerpingsaanvalle voorstel. 'n Genetiese algoritme word gebruik om 'n optimale konfigurasie van die veralgemeende selfsugtige ontginning te bepaal wat 'n beter prestasie vir die groep oplewer. Hiervoor probeer die navorser hetsy die relatiewe inkomste of die getal bevestigde blokke maksimaliseer. Die resultate toon dat die veralgemeende vorm van selfsugtige ontginning in die optimale konfigurasie beter prestasie as standaardselfsugtige ontginning oplewer wat relatiewe inkomste sowel as bevestigde blokke betref.
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2016
Keywords
Electronic payment system, Blockchain (database), Cryptocurrency, Bitcoin -- Payment system, Nakamoto, Satoshi, UCTD