Биткоин: система электронных денег на основе одноранговой сети
Abstract
A purely peer-to-peer version of electronic cash would allow online payments to be sent directly from one party to another without going through a financial institution. Digital signatures provide part of the solution, but the main benefits are lost if a trusted third party is still required to prevent double-spending. We propose a solution to the double-spending problem using a peer-to-peer network. The network timestamps transactions by hashing them into an ongoing chain of hash-based proof-of-work, forming a record that cannot be changed without redoing the proof-of-work. The longest chain not only serves as proof of the sequence of events witnessed, but proof that it came from the largest pool of CPU power. As long as a majority of CPU power is controlled by nodes that are not cooperating to attack the network, they'll generate the longest chain and outpace attackers. The network itself requires minimal structure. Messages are broadcast on a best effort basis, and nodes can leave and rejoin the network at will, accepting the longest proof-of-work chain as proof of what happened while they were gone.
Abstract
Полностью одноранговая версия электронных денег позволила бы отправлять онлайн-платежи напрямую от одной стороны к другой без участия финансового учреждения. Цифровые подписи обеспечивают часть решения, но основные преимущества теряются, если для предотвращения двойного расходования по-прежнему требуется доверенная третья сторона. Мы предлагаем решение проблемы двойного расходования с использованием одноранговой сети. Сеть присваивает транзакциям временные метки, хешируя их в непрерывную цепочку proof-of-work на основе хешей, формируя запись, которую невозможно изменить без повторного выполнения proof-of-work. Самая длинная цепочка служит не только доказательством последовательности наблюдавшихся событий, но и доказательством того, что она создана наибольшим пулом вычислительной мощности CPU. Пока большая часть мощности CPU контролируется узлами, не участвующими в атаке на сеть, они будут генерировать самую длинную цепочку и опережать атакующих. Сама сеть требует минимальной структуры. Сообщения рассылаются по принципу максимальных усилий, и узлы могут покидать сеть и присоединяться к ней по желанию, принимая самую длинную цепочку proof-of-work как доказательство того, что произошло в их отсутствие.
Introduction
Commerce on the Internet has come to rely almost exclusively on financial institutions serving as trusted third parties to process electronic payments. While the system works well enough for most transactions, it still suffers from the inherent weaknesses of the trust based model. Completely non-reversible transactions are not really possible, since financial institutions cannot avoid mediating disputes. The cost of mediation increases transaction costs, limiting the minimum practical transaction size and cutting off the possibility for small casual transactions, and there is a broader cost in the loss of ability to make non-reversible payments for non-reversible services. With the possibility of reversal, the need for trust spreads. Merchants must be wary of their customers, hassling them for more information than they would otherwise need. A certain percentage of fraud is accepted as unavoidable. These costs and payment uncertainties can be avoided in person by using physical currency, but no mechanism exists to make payments over a communications channel without a trusted party.
What is needed is an electronic payment system based on cryptographic proof instead of trust, allowing any two willing parties to transact directly with each other without the need for a trusted third party. Transactions that are computationally impractical to reverse would protect sellers from fraud, and routine escrow mechanisms could easily be implemented to protect buyers. In this paper, we propose a solution to the double-spending problem using a peer-to-peer distributed timestamp server to generate computational proof of the chronological order of transactions. The system is secure as long as honest nodes collectively control more CPU power than any cooperating group of attacker nodes.
Introduction
Коммерция в Интернете стала почти исключительно зависеть от финансовых учреждений, выступающих в роли доверенных третьих сторон для обработки электронных платежей. Хотя система достаточно хорошо работает для большинства транзакций, она по-прежнему страдает от врожденных слабостей модели, основанной на доверии. Полностью необратимые транзакции фактически невозможны, поскольку финансовые учреждения не могут избежать посредничества в спорах. Стоимость посредничества увеличивает транзакционные издержки, ограничивая минимальный практический размер транзакции и исключая возможность мелких повседневных транзакций, а также существует более широкая цена в виде утраты возможности осуществлять необратимые платежи за необратимые услуги. С возможностью отмены потребность в доверии распространяется. Продавцы должны с осторожностью относиться к своим клиентам, запрашивая у них больше информации, чем было бы необходимо в ином случае. Определенный процент мошенничества принимается как неизбежный. Эти издержки и неопределенности платежей можно избежать при личных расчетах с использованием физической валюты, но не существует механизма для осуществления платежей по каналу связи без доверенной стороны.
Необходима электронная платежная система, основанная на криптографическом доказательстве вместо доверия, позволяющая любым двум желающим сторонам совершать сделки напрямую друг с другом без необходимости в доверенной третьей стороне. Транзакции, которые вычислительно непрактично отменить, защитили бы продавцов от мошенничества, а обычные механизмы условного депонирования могли бы быть легко реализованы для защиты покупателей. В данной работе мы предлагаем решение проблемы двойного расходования с использованием одноранговой распределенной системы серверов временных меток для генерации вычислительного доказательства хронологического порядка транзакций. Система безопасна до тех пор, пока честные узлы совместно контролируют больше вычислительной мощности CPU, чем любая кооперирующаяся группа атакующих узлов.
Transactions
We define an electronic coin as a chain of digital signatures. Each owner transfers the coin to the next by digitally signing a hash of the previous transaction and the public key of the next owner and adding these to the end of the coin. A payee can verify the signatures to verify the chain of ownership.
The problem of course is the payee can't verify that one of the owners did not double-spend the coin. A common solution is to introduce a trusted central authority, or mint, that checks every transaction for double spending. After each transaction, the coin must be returned to the mint to issue a new coin, and only coins issued directly from the mint are trusted not to be double-spent. The problem with this solution is that the fate of the entire money system depends on the company running the mint, with every transaction having to go through them, just like a bank.
We need a way for the payee to know that the previous owners did not sign any earlier transactions. For our purposes, the earliest transaction is the one that counts, so we don't care about later attempts to double-spend. The only way to confirm the absence of a transaction is to be aware of all transactions. In the mint based model, the mint was aware of all transactions and decided which arrived first. To accomplish this without a trusted party, transactions must be publicly announced [^1], and we need a system for participants to agree on a single history of the order in which they were received. The payee needs proof that at the time of each transaction, the majority of nodes agreed it was the first received.
Transactions
Мы определяем электронную монету как цепочку цифровых подписей. Каждый владелец передает монету следующему, подписывая цифровой подписью хеш предыдущей транзакции и открытый ключ следующего владельца и добавляя их в конец монеты. Получатель платежа может проверить подписи для верификации цепочки владения.
Проблема, разумеется, в том, что получатель платежа не может проверить, не потратил ли один из владельцев монету дважды. Распространенное решение заключается во введении доверенного центрального органа, или монетного двора, который проверяет каждую транзакцию на предмет двойного расходования. После каждой транзакции монета должна быть возвращена на монетный двор для выпуска новой монеты, и только монеты, выпущенные непосредственно монетным двором, считаются не потраченными дважды. Проблема этого решения в том, что судьба всей денежной системы зависит от компании, управляющей монетным двором, и каждая транзакция должна проходить через них, как через банк.
Нам нужен способ, позволяющий получателю платежа знать, что предыдущие владельцы не подписывали никаких более ранних транзакций. Для наших целей самая ранняя транзакция является определяющей, поэтому нас не беспокоят последующие попытки двойного расходования. Единственный способ подтвердить отсутствие транзакции — быть осведомленным обо всех транзакциях. В модели монетного двора монетный двор знал обо всех транзакциях и решал, какая поступила первой. Чтобы достичь этого без доверенной стороны, транзакции должны быть объявлены публично [^1], и нам нужна система, позволяющая участникам согласовать единую историю порядка, в котором они были получены. Получателю платежа нужно доказательство того, что в момент каждой транзакции большинство узлов согласились, что она была получена первой.
Timestamp Server
The solution we propose begins with a timestamp server. A timestamp server works by taking a hash of a block of items to be timestamped and widely publishing the hash, such as in a newspaper or Usenet post [^2] [^3] [^4] [^5]. The timestamp proves that the data must have existed at the time, obviously, in order to get into the hash. Each timestamp includes the previous timestamp in its hash, forming a chain, with each additional timestamp reinforcing the ones before it.
Timestamp Server
Предлагаемое нами решение начинается с сервера временных меток. Сервер временных меток работает, беря хеш блока элементов, которым нужно присвоить временную метку, и широко публикуя этот хеш, например, в газете или посте Usenet [^2] [^3] [^4] [^5]. Временная метка доказывает, что данные, очевидно, должны были существовать в это время, чтобы попасть в хеш. Каждая временная метка включает предыдущую временную метку в свой хеш, образуя цепочку, где каждая дополнительная временная метка усиливает предыдущие.
Proof-of-Work
To implement a distributed timestamp server on a peer-to-peer basis, we will need to use a proof-of-work system similar to Adam Back's Hashcash [^6], rather than newspaper or Usenet posts. The proof-of-work involves scanning for a value that when hashed, such as with SHA-256, the hash begins with a number of zero bits. The average work required is exponential in the number of zero bits required and can be verified by executing a single hash.
For our timestamp network, we implement the proof-of-work by incrementing a nonce in the block until a value is found that gives the block's hash the required zero bits. Once the CPU effort has been expended to make it satisfy the proof-of-work, the block cannot be changed without redoing the work. As later blocks are chained after it, the work to change the block would include redoing all the blocks after it.
The proof-of-work also solves the problem of determining representation in majority decision making. If the majority were based on one-IP-address-one-vote, it could be subverted by anyone able to allocate many IPs. Proof-of-work is essentially one-CPU-one-vote. The majority decision is represented by the longest chain, which has the greatest proof-of-work effort invested in it. If a majority of CPU power is controlled by honest nodes, the honest chain will grow the fastest and outpace any competing chains. To modify a past block, an attacker would have to redo the proof-of-work of the block and all blocks after it and then catch up with and surpass the work of the honest nodes. We will show later that the probability of a slower attacker catching up diminishes exponentially as subsequent blocks are added.
To compensate for increasing hardware speed and varying interest in running nodes over time, the proof-of-work difficulty is determined by a moving average targeting an average number of blocks per hour. If they're generated too fast, the difficulty increases.
Proof-of-Work
Для реализации распределенного сервера временных меток на одноранговой основе нам потребуется использовать систему proof-of-work, аналогичную Hashcash Адама Бэка [^6], вместо газет или постов Usenet. Proof-of-work включает поиск значения, хеш которого, например при использовании SHA-256, начинается с определенного количества нулевых битов. Средний объем работы, необходимый для этого, экспоненциально зависит от количества требуемых нулевых битов и может быть проверен выполнением одного хеширования.
Для нашей сети временных меток мы реализуем proof-of-work путем увеличения nonce в блоке до тех пор, пока не будет найдено значение, дающее хешу блока требуемое количество нулевых битов. После того как затрачена вычислительная мощность CPU для удовлетворения proof-of-work, блок не может быть изменен без повторного выполнения работы. Поскольку последующие блоки связываются после него, работа по изменению блока включала бы повторное выполнение всех блоков после него.
Proof-of-work также решает проблему определения представительства при принятии решений большинством. Если бы большинство определялось по принципу один-IP-адрес-один-голос, оно могло бы быть подорвано любым, кто способен выделить множество IP-адресов. Proof-of-work — это, по сути, один-CPU-один-голос. Решение большинства представлено самой длинной цепочкой, в которую вложен наибольший объем работы proof-of-work. Если большая часть мощности CPU контролируется честными узлами, честная цепочка будет расти быстрее всех и опережать любые конкурирующие цепочки. Чтобы изменить прошлый блок, атакующему пришлось бы повторно выполнить proof-of-work этого блока и всех последующих блоков, а затем догнать и превзойти работу честных узлов. Позже мы покажем, что вероятность того, что более медленный атакующий догонит, экспоненциально уменьшается по мере добавления последующих блоков.
Для компенсации возрастающей скорости оборудования и меняющегося интереса к запуску узлов с течением времени сложность proof-of-work определяется скользящим средним, нацеленным на среднее количество блоков в час. Если они генерируются слишком быстро, сложность возрастает.
Network
The steps to run the network are as follows:
- New transactions are broadcast to all nodes.
- Each node collects new transactions into a block.
- Each node works on finding a difficult proof-of-work for its block.
- When a node finds a proof-of-work, it broadcasts the block to all nodes.
- Nodes accept the block only if all transactions in it are valid and not already spent.
- Nodes express their acceptance of the block by working on creating the next block in the chain, using the hash of the accepted block as the previous hash.
Nodes always consider the longest chain to be the correct one and will keep working on extending it. If two nodes broadcast different versions of the next block simultaneously, some nodes may receive one or the other first. In that case, they work on the first one they received, but save the other branch in case it becomes longer. The tie will be broken when the next proof-of-work is found and one branch becomes longer; the nodes that were working on the other branch will then switch to the longer one.
New transaction broadcasts do not necessarily need to reach all nodes. As long as they reach many nodes, they will get into a block before long. Block broadcasts are also tolerant of dropped messages. If a node does not receive a block, it will request it when it receives the next block and realizes it missed one.
Network
Шаги для работы сети следующие:
- Новые транзакции рассылаются всем узлам.
- Каждый узел собирает новые транзакции в блок.
- Каждый узел работает над поиском сложного proof-of-work для своего блока.
- Когда узел находит proof-of-work, он рассылает блок всем узлам.
- Узлы принимают блок, только если все транзакции в нем действительны и не были потрачены ранее.
- Узлы выражают свое принятие блока, работая над созданием следующего блока в цепочке, используя хеш принятого блока в качестве предыдущего хеша.
Узлы всегда считают самую длинную цепочку правильной и продолжают работать над ее удлинением. Если два узла одновременно рассылают разные версии следующего блока, некоторые узлы могут получить одну или другую первой. В этом случае они работают над той, которую получили первой, но сохраняют другую ветвь на случай, если она станет длиннее. Ничья будет разрешена, когда будет найден следующий proof-of-work и одна ветвь станет длиннее; узлы, работавшие над другой ветвью, тогда переключатся на более длинную.
Рассылка новых транзакций не обязательно должна достигать всех узлов. Пока они достигают многих узлов, они попадут в блок в скором времени. Рассылка блоков также устойчива к потере сообщений. Если узел не получает блок, он запросит его при получении следующего блока, осознав, что пропустил один.
Incentive
By convention, the first transaction in a block is a special transaction that starts a new coin owned by the creator of the block. This adds an incentive for nodes to support the network, and provides a way to initially distribute coins into circulation, since there is no central authority to issue them. The steady addition of a constant of amount of new coins is analogous to gold miners expending resources to add gold to circulation. In our case, it is CPU time and electricity that is expended.
The incentive can also be funded with transaction fees. If the output value of a transaction is less than its input value, the difference is a transaction fee that is added to the incentive value of the block containing the transaction. Once a predetermined number of coins have entered circulation, the incentive can transition entirely to transaction fees and be completely inflation free.
The incentive may help encourage nodes to stay honest. If a greedy attacker is able to assemble more CPU power than all the honest nodes, he would have to choose between using it to defraud people by stealing back his payments, or using it to generate new coins. He ought to find it more profitable to play by the rules, such rules that favour him with more new coins than everyone else combined, than to undermine the system and the validity of his own wealth.
Incentive
По соглашению, первая транзакция в блоке является специальной транзакцией, которая создает новую монету, принадлежащую создателю блока. Это добавляет стимул для узлов поддерживать сеть и обеспечивает способ первоначального распределения монет в обращение, поскольку нет центрального органа для их выпуска. Постоянное добавление фиксированного количества новых монет аналогично тому, как золотодобытчики тратят ресурсы для добавления золота в обращение. В нашем случае расходуется процессорное время и электроэнергия.
Стимул также может финансироваться за счет комиссий за транзакции. Если выходное значение транзакции меньше ее входного значения, разница представляет собой комиссию за транзакцию, которая добавляется к стимулирующему значению блока, содержащего транзакцию. Как только заранее определенное количество монет поступит в обращение, стимул может полностью перейти на комиссии за транзакции и быть полностью свободным от инфляции.
Стимул может помочь побудить узлы оставаться честными. Если жадный атакующий сможет собрать больше вычислительной мощности CPU, чем все честные узлы, ему придется выбирать между использованием ее для обмана людей путем возврата своих платежей или использованием ее для генерации новых монет. Ему должно быть выгоднее играть по правилам, которые дают ему больше новых монет, чем всем остальным вместе взятым, чем подрывать систему и обесценивать собственное богатство.
Reclaiming Disk Space
Once the latest transaction in a coin is buried under enough blocks, the spent transactions before it can be discarded to save disk space. To facilitate this without breaking the block's hash, transactions are hashed in a Merkle Tree [^7] [^2] [^5], with only the root included in the block's hash. Old blocks can then be compacted by stubbing off branches of the tree. The interior hashes do not need to be stored.
A block header with no transactions would be about 80 bytes. If we suppose blocks are generated every 10 minutes, 80 bytes * 6 * 24 * 365 = 4.2MB per year. With computer systems typically selling with 2GB of RAM as of 2008, and Moore's Law predicting current growth of 1.2GB per year, storage should not be a problem even if the block headers must be kept in memory.
Reclaiming Disk Space
Как только последняя транзакция в монете оказывается погребена под достаточным количеством блоков, потраченные транзакции до нее могут быть отброшены для экономии дискового пространства. Чтобы обеспечить это без нарушения хеша блока, транзакции хешируются в дереве Меркла (Merkle Tree) [^7] [^2] [^5], и только корень включается в хеш блока. Старые блоки затем могут быть сжаты путем отсечения ветвей дерева. Внутренние хеши не нужно хранить.
Заголовок блока без транзакций занимал бы около 80 байт. Если предположить, что блоки генерируются каждые 10 минут, 80 байт * 6 * 24 * 365 = 4,2 МБ в год. При том, что компьютерные системы обычно продавались с 2 ГБ ОЗУ по состоянию на 2008 год, а закон Мура предсказывает текущий рост в 1,2 ГБ в год, хранение не должно быть проблемой, даже если заголовки блоков необходимо хранить в памяти.
Simplified Payment Verification
It is possible to verify payments without running a full network node. A user only needs to keep a copy of the block headers of the longest proof-of-work chain, which he can get by querying network nodes until he's convinced he has the longest chain, and obtain the Merkle branch linking the transaction to the block it's timestamped in. He can't check the transaction for himself, but by linking it to a place in the chain, he can see that a network node has accepted it, and blocks added after it further confirm the network has accepted it.
As such, the verification is reliable as long as honest nodes control the network, but is more vulnerable if the network is overpowered by an attacker. While network nodes can verify transactions for themselves, the simplified method can be fooled by an attacker's fabricated transactions for as long as the attacker can continue to overpower the network. One strategy to protect against this would be to accept alerts from network nodes when they detect an invalid block, prompting the user's software to download the full block and alerted transactions to confirm the inconsistency. Businesses that receive frequent payments will probably still want to run their own nodes for more independent security and quicker verification.
Simplified Payment Verification
Можно проверять платежи, не запуская полный сетевой узел. Пользователю нужно лишь хранить копию заголовков блоков самой длинной цепочки proof-of-work, которую он может получить, опрашивая сетевые узлы, пока не убедится, что имеет самую длинную цепочку, и получить ветвь Меркла, связывающую транзакцию с блоком, в котором она получила временную метку. Он не может проверить транзакцию самостоятельно, но, связав ее с местом в цепочке, он может увидеть, что сетевой узел принял ее, и блоки, добавленные после нее, дополнительно подтверждают, что сеть ее приняла.
Таким образом, проверка надежна, пока честные узлы контролируют сеть, но более уязвима, если сеть захвачена атакующим. В то время как сетевые узлы могут самостоятельно проверять транзакции, упрощенный метод может быть обманут сфабрикованными транзакциями атакующего, пока тот может продолжать доминировать в сети. Одной из стратегий защиты от этого было бы принятие предупреждений от сетевых узлов при обнаружении ими недействительного блока, побуждающих программное обеспечение пользователя загрузить полный блок и отмеченные транзакции для подтверждения несоответствия. Предприятия, получающие частые платежи, вероятно, по-прежнему захотят запускать собственные узлы для более независимой безопасности и более быстрой проверки.
Combining and Splitting Value
Although it would be possible to handle coins individually, it would be unwieldy to make a separate transaction for every cent in a transfer. To allow value to be split and combined, transactions contain multiple inputs and outputs. Normally there will be either a single input from a larger previous transaction or multiple inputs combining smaller amounts, and at most two outputs: one for the payment, and one returning the change, if any, back to the sender.
It should be noted that fan-out, where a transaction depends on several transactions, and those transactions depend on many more, is not a problem here. There is never the need to extract a complete standalone copy of a transaction's history.
Combining and Splitting Value
Хотя было бы возможно обрабатывать монеты по отдельности, было бы неудобно создавать отдельную транзакцию для каждого цента при переводе. Чтобы позволить разделение и объединение стоимости, транзакции содержат несколько входов и выходов. Обычно будет либо один вход от более крупной предыдущей транзакции, либо несколько входов, объединяющих меньшие суммы, и не более двух выходов: один для платежа и один для возврата сдачи, если таковая имеется, отправителю.
Следует отметить, что разветвление (fan-out), когда транзакция зависит от нескольких транзакций, а те, в свою очередь, зависят от еще большего числа, здесь не является проблемой. Никогда нет необходимости извлекать полную самостоятельную копию истории транзакции.
Privacy
The traditional banking model achieves a level of privacy by limiting access to information to the parties involved and the trusted third party. The necessity to announce all transactions publicly precludes this method, but privacy can still be maintained by breaking the flow of information in another place: by keeping public keys anonymous. The public can see that someone is sending an amount to someone else, but without information linking the transaction to anyone. This is similar to the level of information released by stock exchanges, where the time and size of individual trades, the "tape", is made public, but without telling who the parties were.
As an additional firewall, a new key pair should be used for each transaction to keep them from being linked to a common owner. Some linking is still unavoidable with multi-input transactions, which necessarily reveal that their inputs were owned by the same owner. The risk is that if the owner of a key is revealed, linking could reveal other transactions that belonged to the same owner.
Privacy
Традиционная банковская модель обеспечивает определенный уровень конфиденциальности, ограничивая доступ к информации вовлеченными сторонами и доверенной третьей стороной. Необходимость публично объявлять все транзакции исключает этот метод, но конфиденциальность все еще может быть сохранена путем прерывания потока информации в другом месте: путем сохранения анонимности открытых ключей. Общественность может видеть, что кто-то отправляет сумму кому-то другому, но без информации, связывающей транзакцию с кем-либо. Это аналогично уровню информации, публикуемой фондовыми биржами, где время и объем отдельных сделок, «лента», делаются публичными, но без указания того, кем были стороны.
В качестве дополнительного барьера для каждой транзакции следует использовать новую пару ключей, чтобы предотвратить их привязку к общему владельцу. Некоторая связь по-прежнему неизбежна при транзакциях с несколькими входами, которые неизбежно раскрывают, что их входы принадлежали одному владельцу. Риск состоит в том, что если владелец ключа будет раскрыт, связывание может раскрыть другие транзакции, принадлежавшие тому же владельцу.
Calculations
We consider the scenario of an attacker trying to generate an alternate chain faster than the honest chain. Even if this is accomplished, it does not throw the system open to arbitrary changes, such as creating value out of thin air or taking money that never belonged to the attacker. Nodes are not going to accept an invalid transaction as payment, and honest nodes will never accept a block containing them. An attacker can only try to change one of his own transactions to take back money he recently spent.
The race between the honest chain and an attacker chain can be characterized as a Binomial Random Walk. The success event is the honest chain being extended by one block, increasing its lead by +1, and the failure event is the attacker's chain being extended by one block, reducing the gap by -1.
The probability of an attacker catching up from a given deficit is analogous to a Gambler's Ruin problem. Suppose a gambler with unlimited credit starts at a deficit and plays potentially an infinite number of trials to try to reach breakeven. We can calculate the probability he ever reaches breakeven, or that an attacker ever catches up with the honest chain, as follows [^8]:
p = probability an honest node finds the next block
q = probability the attacker finds the next block
qz = probability the attacker will ever catch up from z blocks behind
\[ qz = \begin{cases} 1 & \text{if } p \leq q \\ \left(\frac{q}{p}\right) z & \text{if } p > q \end{cases} \]
Given our assumption that p q, the probability drops exponentially as the number of blocks the attacker has to catch up with increases. With the odds against him, if he doesn't make a lucky lunge forward early on, his chances become vanishingly small as he falls further behind.
We now consider how long the recipient of a new transaction needs to wait before being sufficiently certain the sender can't change the transaction. We assume the sender is an attacker who wants to make the recipient believe he paid him for a while, then switch it to pay back to himself after some time has passed. The receiver will be alerted when that happens, but the sender hopes it will be too late.
The receiver generates a new key pair and gives the public key to the sender shortly before signing. This prevents the sender from preparing a chain of blocks ahead of time by working on it continuously until he is lucky enough to get far enough ahead, then executing the transaction at that moment. Once the transaction is sent, the dishonest sender starts working in secret on a parallel chain containing an alternate version of his transaction.
The recipient waits until the transaction has been added to a block and z blocks have been linked after it. He doesn't know the exact amount of progress the attacker has made, but assuming the honest blocks took the average expected time per block, the attacker's potential progress will be a Poisson distribution with expected value:
\[ \lambda = z\frac{q}{p} \]
To get the probability the attacker could still catch up now, we multiply the Poisson density for each amount of progress he could have made by the probability he could catch up from that point:
\[ \sum_{k=0}^{\infty} \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!} \cdot \left\{ \begin{array}{cl} \left(\frac{q}{p}\right)^{(z-k)} & \text{if } k \leq z \\ 1 & \text{if } k > z \end{array} \right. \]
Rearranging to avoid summing the infinite tail of the distribution...
\[ 1 - \sum_{k=0}^{z} \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!} \left(1-\left(\frac{q}{p}\right)^{(z-k)}\right) \]
Converting to C code...
#include math.h
double AttackerSuccessProbability(double q, int z)
{
double p = 1.0 - q;
double lambda = z * (q / p);
double sum = 1.0;
int i, k;
for (k = 0; k = z; k++)
{
double poisson = exp(-lambda);
for (i = 1; i = k; i++)
poisson *= lambda / i;
sum -= poisson * (1 - pow(q / p, z - k));
}
return sum;
}
Running some results, we can see the probability drop off exponentially with z.
q=0.1
z=0 P=1.0000000
z=1 P=0.2045873
z=2 P=0.0509779
z=3 P=0.0131722
z=4 P=0.0034552
z=5 P=0.0009137
z=6 P=0.0002428
z=7 P=0.0000647
z=8 P=0.0000173
z=9 P=0.0000046
z=10 P=0.0000012
q=0.3
z=0 P=1.0000000
z=5 P=0.1773523
z=10 P=0.0416605
z=15 P=0.0101008
z=20 P=0.0024804
z=25 P=0.0006132
z=30 P=0.0001522
z=35 P=0.0000379
z=40 P=0.0000095
z=45 P=0.0000024
z=50 P=0.0000006
Solving for P less than 0.1%...
P 0.001
q=0.10 z=5
q=0.15 z=8
q=0.20 z=11
q=0.25 z=15
q=0.30 z=24
q=0.35 z=41
q=0.40 z=89
q=0.45 z=340
Calculations
Рассмотрим сценарий, в котором атакующий пытается сгенерировать альтернативную цепочку быстрее, чем честная цепочка. Даже если это удастся, это не открывает систему для произвольных изменений, таких как создание стоимости из ничего или присвоение денег, которые никогда не принадлежали атакующему. Узлы не примут недействительную транзакцию в качестве платежа, и честные узлы никогда не примут блок, содержащий такие транзакции. Атакующий может лишь попытаться изменить одну из своих собственных транзакций, чтобы вернуть деньги, которые он недавно потратил.
Гонку между честной цепочкой и цепочкой атакующего можно охарактеризовать как биномиальное случайное блуждание. Событие успеха — это удлинение честной цепочки на один блок, увеличивающее ее отрыв на +1, а событие неудачи — это удлинение цепочки атакующего на один блок, сокращающее разрыв на -1.
Вероятность того, что атакующий наверстает упущенное с заданного отставания, аналогична задаче о разорении игрока. Предположим, что игрок с неограниченным кредитом начинает с дефицита и играет потенциально бесконечное число раундов, пытаясь выйти в ноль. Мы можем рассчитать вероятность того, что он когда-либо выйдет в ноль, или что атакующий когда-либо догонит честную цепочку, следующим образом [^8]:
p = вероятность того, что честный узел найдет следующий блок
q = вероятность того, что атакующий найдет следующий блок
q = вероятность того, что атакующий когда-либо догонит, отставая на z блоков
\[ qz = \begin{cases} 1 & \text{если } p \leq q \\ \left(\frac{q}{p}\right) z & \text{если } p > q \end{cases} \]
Учитывая наше предположение, что p q, вероятность экспоненциально падает с увеличением числа блоков, которые атакующему нужно наверстать. При неблагоприятных шансах, если он не сделает удачный рывок в самом начале, его шансы становятся исчезающе малыми по мере дальнейшего отставания.
Теперь рассмотрим, как долго получатель новой транзакции должен ждать, прежде чем быть достаточно уверенным, что отправитель не может изменить транзакцию. Мы предполагаем, что отправитель — атакующий, который хочет заставить получателя поверить, что он заплатил ему, на некоторое время, а затем переключить платеж на себя после истечения некоторого времени. Получатель будет предупрежден, когда это произойдет, но отправитель надеется, что будет слишком поздно.
Получатель генерирует новую пару ключей и передает открытый ключ отправителю незадолго до подписания. Это предотвращает подготовку отправителем цепочки блоков заранее путем непрерывной работы над ней, пока ему не посчастливится достаточно продвинуться вперед, а затем выполнить транзакцию в этот момент. После отправки транзакции нечестный отправитель начинает тайно работать над параллельной цепочкой, содержащей альтернативную версию его транзакции.
Получатель ждет, пока транзакция не будет добавлена в блок и z блоков не будут связаны после него. Он не знает точный объем прогресса атакующего, но предполагая, что честные блоки создавались за среднее ожидаемое время на блок, потенциальный прогресс атакующего будет иметь распределение Пуассона с математическим ожиданием:
\[ \lambda = z\frac{q}{p} \]
Чтобы получить вероятность того, что атакующий все еще может догнать, мы умножаем плотность Пуассона для каждого объема прогресса, который он мог сделать, на вероятность того, что он сможет догнать с этой точки:
\[ \sum_{k=0}^{\infty} \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!} \cdot \left\{ \begin{array}{cl} \left(\frac{q}{p}\right)^{(z-k)} & \text{если } k \leq z \\ 1 & \text{если } k > z \end{array} \right. \]
Преобразуя, чтобы избежать суммирования бесконечного хвоста распределения...
\[ 1 - \sum_{k=0}^{z} \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!} \left(1-\left(\frac{q}{p}\right)^{(z-k)}\right) \]
Преобразуя в код на C...
#include math.h
double AttackerSuccessProbability(double q, int z)
{
double p = 1.0 - q;
double lambda = z * (q / p);
double sum = 1.0;
int i, k;
for (k = 0; k = z; k++)
{
double poisson = exp(-lambda);
for (i = 1; i = k; i++)
poisson *= lambda / i;
sum -= poisson * (1 - pow(q / p, z - k));
}
return sum;
}
Выполнив некоторые расчеты, мы можем видеть, как вероятность экспоненциально падает с z.
q=0.1
z=0 P=1.0000000
z=1 P=0.2045873
z=2 P=0.0509779
z=3 P=0.0131722
z=4 P=0.0034552
z=5 P=0.0009137
z=6 P=0.0002428
z=7 P=0.0000647
z=8 P=0.0000173
z=9 P=0.0000046
z=10 P=0.0000012
q=0.3
z=0 P=1.0000000
z=5 P=0.1773523
z=10 P=0.0416605
z=15 P=0.0101008
z=20 P=0.0024804
z=25 P=0.0006132
z=30 P=0.0001522
z=35 P=0.0000379
z=40 P=0.0000095
z=45 P=0.0000024
z=50 P=0.0000006
Решая для P менее 0,1%...
P 0.001
q=0.10 z=5
q=0.15 z=8
q=0.20 z=11
q=0.25 z=15
q=0.30 z=24
q=0.35 z=41
q=0.40 z=89
q=0.45 z=340
Conclusion
We have proposed a system for electronic transactions without relying on trust. We started with the usual framework of coins made from digital signatures, which provides strong control of ownership, but is incomplete without a way to prevent double-spending. To solve this, we proposed a peer-to-peer network using proof-of-work to record a public history of transactions that quickly becomes computationally impractical for an attacker to change if honest nodes control a majority of CPU power. The network is robust in its unstructured simplicity. Nodes work all at once with little coordination. They do not need to be identified, since messages are not routed to any particular place and only need to be delivered on a best effort basis. Nodes can leave and rejoin the network at will, accepting the proof-of-work chain as proof of what happened while they were gone. They vote with their CPU power, expressing their acceptance of valid blocks by working on extending them and rejecting invalid blocks by refusing to work on them. Any needed rules and incentives can be enforced with this consensus mechanism.
Conclusion
Мы предложили систему электронных транзакций, не основанную на доверии. Мы начали с обычной структуры монет, созданных из цифровых подписей, которая обеспечивает надежный контроль над собственностью, но является неполной без способа предотвращения двойного расходования. Для решения этой проблемы мы предложили одноранговую сеть, использующую proof-of-work для записи публичной истории транзакций, которую быстро становится вычислительно непрактично изменить для атакующего, если честные узлы контролируют большую часть мощности CPU. Сеть устойчива в своей неструктурированной простоте. Узлы работают одновременно с минимальной координацией. Их не нужно идентифицировать, поскольку сообщения не направляются в какое-либо конкретное место и должны быть доставлены лишь по принципу максимальных усилий. Узлы могут покидать сеть и присоединяться к ней по желанию, принимая цепочку proof-of-work как доказательство того, что произошло в их отсутствие. Они голосуют своей вычислительной мощностью CPU, выражая принятие действительных блоков работой над их продлением и отклоняя недействительные блоки отказом работать над ними. Любые необходимые правила и стимулы могут быть реализованы с помощью этого механизма консенсуса.
References
-
H. Massias, X.S. Avila, and J.-J. Quisquater, "Design of a secure timestamping service with minimal trust requirements," In 20th Symposium on Information Theory in the Benelux, May 1999.
-
S. Haber, W.S. Stornetta, "How to time-stamp a digital document," In Journal of Cryptology, vol 3, no 2, pages 99-111, 1991.
-
D. Bayer, S. Haber, W.S. Stornetta, "Improving the efficiency and reliability of digital time-stamping," In Sequences II: Methods in Communication, Security and Computer Science, pages 329-334, 1993.
-
S. Haber, W.S. Stornetta, "Secure names for bit-strings," In Proceedings of the 4th ACM Conference on Computer and Communications Security, pages 28-35, April 1997.
-
A. Back, "Hashcash - a denial of service counter-measure," http://www.hashcash.org/papers/hashcash.pdf, 2002.
-
R.C. Merkle, "Protocols for public key cryptosystems," In Proc. 1980 Symposium on Security and Privacy, IEEE Computer Society, pages 122-133, April 1980.
-
W. Feller, "An introduction to probability theory and its applications," 1957.
References
-
H. Massias, X.S. Avila, and J.-J. Quisquater, "Design of a secure timestamping service with minimal trust requirements," In 20th Symposium on Information Theory in the Benelux, May 1999.
-
S. Haber, W.S. Stornetta, "How to time-stamp a digital document," In Journal of Cryptology, vol 3, no 2, pages 99-111, 1991.
-
D. Bayer, S. Haber, W.S. Stornetta, "Improving the efficiency and reliability of digital time-stamping," In Sequences II: Methods in Communication, Security and Computer Science, pages 329-334, 1993.
-
S. Haber, W.S. Stornetta, "Secure names for bit-strings," In Proceedings of the 4th ACM Conference on Computer and Communications Security, pages 28-35, April 1997.
-
A. Back, "Hashcash - a denial of service counter-measure," http://www.hashcash.org/papers/hashcash.pdf, 2002.
-
R.C. Merkle, "Protocols for public key cryptosystems," In Proc. 1980 Symposium on Security and Privacy, IEEE Computer Society, pages 122-133, April 1980.
-
W. Feller, "An introduction to probability theory and its applications," 1957.
Related Whitepapers
$DOGE
Dogecoin
Dogecoin: A Community-Driven Cryptocurrency
15 shared concepts · 2013
$ETH
Ethereum
Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platfo…
20 shared concepts · 2013
$USDT
Tether
Tether: Fiat currencies on the Bitcoin blockchain
14 shared concepts · 2016
$SOL
Solana
Solana: A new architecture for a high performance blockchain
13 shared concepts · 2017
$BCH
Bitcoin Cash
Bitcoin Cash: Peer-to-Peer Electronic Cash for the World
14 shared concepts · 2017