重复博弈下自私挖矿的作用机制研究

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区块链中的工作量证明机制(Proof of Work,Po W)是一种通过矿池间的挖矿竞争来完成区块记账权和奖励分配的共识机制。因其简单易实现及去中心化程度高等特点,已成为当前区块链项目的主流共识形成方案。然而,Po W的安全性依赖于矿池会遵守共识规则诚实挖矿这一基本假设。但最新研究表明,当矿池挖到新区块后选择隐藏并择机公布的方式,可能获得优于诚实挖矿的超额收益,这种策略即自私挖矿。自私挖矿将严重威胁区块链持续延展的安全性,继而对区块链生态的长期健康运行及可持续发展造成重大危害。为应对自私挖矿,最有效的办法是根据其作用机制设计相应对策。但目前自私挖矿的基本模型、长效机制、实际效用尚存缺陷或仍不明确,即:(1)现有自私挖矿模型存在不合理假设且对挖矿决策的影响因素分析不全,尤其忽略了矿池间相互作用对其决策的影响,无法精准刻画区块链实际运行场景;(2)针对区块链持续延展过程中,部分矿池以牺牲短期利益为代价争取长期利益这一显著事实缺乏考虑,致使长期最优导向下自私挖矿的作用机制仍不明确;(3)虽有大量研究论及自私挖矿的存在性,但迄今为止仍缺乏基于实际区块链项目的实证研究予以确认,这表明相关研究所提及的自私挖矿在真实场景下是否真正有效仍不明确。鉴于此,本文在刻画实际场景中矿池的挖矿行为及其相互作用的基础上,针对重复博弈下自私挖矿的作用机制展开了研究,并对相关策略在真实区块链运行场景下的实际效用实施了验证。主要工作及贡献包括:(1)克服了现有自私挖矿模型的一些不足,构建了更精准的自私挖矿模型。本文采集分析主流开源区块链平台的源码与文档,在程序模型基础上分析并获取了矿池在挖矿过程中的行为模型并以此建立自私挖矿模型。该模型可避免因引入不合理假设或不完全分析而影响挖矿策略的作用机制研究。(2)针对自私挖矿长效机制研究的缺失,提出了可实现长期最优目标的自私挖矿策略。本文在所建立自私挖矿模型的基础上将矿池间的持续挖矿竞争构建为重复博弈,并计算矿池选择不同策略时的收益变化。实验结果表明:重复博弈下简单的自私挖矿并不是矿池的长期最优策略。本文进一步提出各矿池可自定义的κ-SM策略。相较于诚实挖矿和已有自私挖矿,κ-SM策略可使矿池在重复博弈下实现长期最优目标,且全部矿池所选κ-SM策略的组合构成重复博弈的均衡。(3)针对自私挖矿实际效用研究的缺失,开展κ-SM策略的实际效用验证。本文基于实际区块链项目的区块历史数据对所提κ-SM策略进行实证研究,相关结果表明:区块链的持续延展过程中存在偏离共识规则的挖矿行为;κ-SM策略与实际区块链项目中拥有不同算力资源的矿池所选择的决策行为相符,是更符合区块链实际运行场景的一类自私挖矿。
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