プリンストン大学の研究者：ブロック報酬が取り消された後、ビットコインは重大なセキュリティ問題に直面するだろう（論文ダウンロード）

注: この記事の著者である Arvind Narayanan は、データの匿名化解除を専門とするコンピューター科学者であり、プリンストン大学の助教授です。

Miles Carlsten、Harry Kalodner、Matt Weinbergと私は、「ブロック報酬のないビットコインの不安定性について」というタイトルの論文を発表しました（全文はCoin Libraryからダウンロードできます）。本稿では、マイナーの収入がブロック報酬から取引手数料に完全に移行されると、マイニング報酬の仕組みは完全に混乱してしまうことを指摘します。この論文の理論的分析は、当社のビットコイン採掘シミュレーション装置によって導き出された結論とほぼ完全に一致しています。

ビットコインマイナーの収入源は、ブロック報酬と取引手数料の 2 つあります。現在、マイナーの収入は主にブロック報酬に依存しています。しかし、これらの報酬は徐々に減少するため、長期的には、収入の大部分は依然として取引手数料から得られることになります。このモデルは広く議論され、テストされてきましたが、研究はセキュリティの観点からではなく、金融政策の観点からのみ行われてきました。人々は、マイナーの収入の変化がブロックチェーンのセキュリティと安定性に影響を与えないと無意識に想定しています。彼らにとって、この 25 BTC (たとえば) が固定報酬であるか取引手数料であるかは問題ではありません。

私たちは論文の中でこの仮説を繰り返し検証しましたが、最終結果は依然としてビットコインや他の多くの暗号通貨のセキュリティにとって不利であることを示しました。私たちの主なポイントは、マイナーが取引手数料だけに頼ることができる場合、ブロック生成時間のランダム性により収入が非常に不安定になるということです。その時点で、マイナーは「リッチ」ブロック（取引額が高いブロック）をフォークし、そこから報酬を「盗む」可能性が高くなります。

ここでの問題は、取引手数料が高いか低いかではなく、ブロック生成のランダム性によって発生します。実験では取引手数料の発生をシミュレートしましたが、料金は一貫していました。しかし、実際の取引ではレートが一定ではなく、状況はより複雑です。私たちの論文に共通するテーマは、最も単純なシミュレーションでも心配な結果が生じる可能性があるということです。これは間違いなく悪いニュースです。現実世界の取引では事態はさらに悪化すると予想され、暗号通貨マイニングの問題は分析とシミュレーションを通じて解決されると予想されます。しかし、私たちの実験では、結果の予測は想像していたよりもはるかに複雑でした。

次に、ブロック報酬の取り消しによって生じる問題についてお話します。フォークが可能になったため、デフォルトの戦略は適用されなくなりました。私たちの論文では、いくつかの興味深い代替戦略を示しています。現時点で最も懸念される現象は「アンダーカット」であり、マイナーが盗む取引手数料が少なくなり、追跡が困難になり、プール内の他のマイナーがブロックを再作成するよりもブロック内の取引量を増やす傾向が強まるという現象です。

取引手数料がブロック報酬に完全に置き換わると、利己的なマイニングの現象はますます深刻になるでしょう。特に、次のような状況が発生した場合、ブロックを正常に作成し、現在新しいブロックをマイニングしているが、トランザクション手数料がゼロであるため、このブロックを利己的なマイニングに使用してもよいと考えるかもしれません。このトリックは、ブロック報酬が固定されている場合は意味がありません。しかし、ブロック報酬が取り消され、取引手数料が不安定になると、マイナーは利己的なマイニングの考えを持ちやすくなります。

マイナーがこのような考えを持つと、頻繁なフォーク、過度のカット、ブロック生成の遅延によりマイニングパワーが浪費され、ブロックチェーンは安全ではなくなります。

私たちの結論は、2 つのアプローチを通じて得られました。1 つ目は理論的分析、つまりゲーム理論 (形式化されたインセンティブ構造間の相互作用を研究する) です。 2 つ目は、採掘プロセスのシミュレーションです。これにより、実験結果に対する信頼性が高まりました。たとえば、ある設定では、理論的分析によりランバートの W 関数が平衡状態にあることが示され、論文ではこの点について数ページが割かれました。同じ条件でのシミュレーション実験では、Lambert W 関数設定のマイナーが最も優れたパフォーマンスを発揮しました。私たちの理論解析技術やシミュレーション装置が他の研究者の役に立つことを願っています。私たちのシミュレータコードはオープンソース化されています。

私たちの調査結果はどのような影響を与えるでしょうか?長期的な発展を確実にするために、ビットコイン コミュニティは、おそらく上記の悪意のある動作を防ぐためのフォークを通じてこの問題を解決する必要があります。私たちは、これらの悪質な戦術が短期的に現れると言っているわけではありませんが、長期的な発展の観点から、これらの問題に徐々に対処するために適切な措置を講じる時期が来ていることを指摘したいと思います。実際、現在のブロック容量制限は 1MB であり、取引量が増加しているため、異なるブロック間の取引手数料の差をある程度まで減らすことができ、上記の問題は緩和されますが、これは完璧な解決策ではありません。たとえば、この記事の公開時点（原文）では、最新の 1,000 ブロックの取引手数料は 0.03 BTC から 4.51 BTC の範囲で、平均は 0.49 BTC、標準偏差は 0.25 BTC でした。したがって、上記の問題は、ブロック容量を制限するだけでは解決できません。

より深いレベルでは、私たちの研究結果は暗号通貨システムにおけるブロック報酬の伝統的な役割に疑問を投げかけています。コミュニティは一般的に、中央権限のないこの環境ではブロック報酬は必要であると考えていますが、それは通貨を最初に配布するための一時的かつ有害な方法にすぎません。取引手数料モデルは、システムの安定性にとって理想的な状態であると考えられています。しかし、私たちの調査によると、取引手数料はブロック報酬よりもマイナーからの受け入れが難しいことがわかりました。したがって、新しい暗号通貨の作成者は、ブロック報酬の耐久性を確保し、インフレの事実を受け入れる必要があります。取引手数料は同時に存在できますが、ブロック取引をパッケージ化するマイナーへの追加報酬としてのみ機能します。

最後にもう 1 つ: 経済的インセンティブ メカニズムの設計には多くの知識が必要であり、この分野はメカニズム設計と呼ばれます。参加者の行動を規則正しくさせるには、合理的な設計が必要です。すべての暗号通貨の作成者（The DAO のようなブロックチェーン アプリケーションの作成者を含む）は、メカニズムの設計に携わっています。しかし、このタイプのデザインは単純ではありません。私たちよりずっと前から、多くの論文が暗号通貨の仕組みの設計上の欠陥を指摘してきました。しかし残念なことに、暗号通貨コミュニティとメカニズム設計コミュニティは完全に分離しています。だからこそ、メカニズム設計の専門家であるマット・ワインバーグ氏がプリンストン大学に加わったことを嬉しく思います。この論文の中で彼は多くの複雑な理論を提唱した。暗号通貨の設計研究に関する今後の動向にご注目ください。