ビットコイン：ピアツーピア電子キャッシュシステム
Abstract
Una version puramente peer-to-peer de dinero electronico permitiria enviar pagos en linea directamente de una parte a otra sin pasar por una institucion financiera. Las firmas digitales proporcionan parte de la solucion, pero los principales beneficios se pierden si todavia se requiere un tercero de confianza para prevenir el doble gasto. Proponemos una solucion al problema del doble gasto utilizando una red peer-to-peer. La red marca temporalmente las transacciones al incluirlas mediante hash en una cadena continua de proof-of-work basada en hash, formando un registro que no puede ser modificado sin rehacer el proof-of-work. La cadena mas larga no solo sirve como prueba de la secuencia de eventos presenciados, sino como prueba de que proviene del mayor conjunto de poder de CPU. Mientras la mayoria del poder de CPU este controlado por nodos que no cooperan para atacar la red, generaran la cadena mas larga y superaran a los atacantes. La red en si requiere una estructura minima. Los mensajes se transmiten con base en el mejor esfuerzo, y los nodos pueden abandonar y reincorporarse a la red a voluntad, aceptando la cadena de proof-of-work mas larga como prueba de lo que ocurrio mientras estuvieron ausentes.
Abstract
純粋なpeer-to-peerの電子キャッシュにより、金融機関を介さずに一方の当事者からもう一方へ直接オンライン決済を行うことが可能になる。デジタル署名はその解決策の一部を提供するが、二重支払いを防ぐために信頼できる第三者が依然として必要であれば、主な利点は失われてしまう。我々はpeer-to-peerネットワークを用いた二重支払い問題への解決策を提案する。このネットワークは、トランザクションをhashベースのproof-of-workの連鎖にhash化することでタイムスタンプを付与し、proof-of-workをやり直さない限り変更できない記録を形成する。最長のチェーンは、目撃されたイベントの順序の証明としてのみならず、それが最大のCPUパワーのプールから生まれたことの証明としても機能する。CPUパワーの過半数がネットワークへの攻撃に協力していないノードによって制御されている限り、それらのノードが最長のチェーンを生成し、攻撃者を凌駕する。ネットワーク自体は最小限の構造しか必要としない。メッセージはベストエフォートで配信され、ノードは自由にネットワークから離脱・再参加でき、不在中に何が起こったかの証明として最長のproof-of-workチェーンを受け入れる。
Introduction
El comercio en Internet ha llegado a depender casi exclusivamente de instituciones financieras que sirven como terceros de confianza para procesar pagos electronicos. Si bien el sistema funciona suficientemente bien para la mayoria de las transacciones, todavia adolece de las debilidades inherentes del modelo basado en la confianza. Las transacciones completamente irreversibles no son realmente posibles, ya que las instituciones financieras no pueden evitar mediar en disputas. El costo de la mediacion aumenta los costos de transaccion, limitando el tamano minimo practico de la transaccion y eliminando la posibilidad de pequenas transacciones casuales, y existe un costo mas amplio en la perdida de la capacidad de realizar pagos irreversibles por servicios irreversibles. Con la posibilidad de reversion, la necesidad de confianza se extiende. Los comerciantes deben desconfiar de sus clientes, solicitandoles mas informacion de la que de otro modo necesitarian. Un cierto porcentaje de fraude se acepta como inevitable. Estos costos e incertidumbres de pago pueden evitarse en persona utilizando moneda fisica, pero no existe ningun mecanismo para realizar pagos a traves de un canal de comunicacion sin un tercero de confianza.
Lo que se necesita es un sistema de pago electronico basado en prueba criptografica en lugar de confianza, que permita a dos partes dispuestas realizar transacciones directamente entre si sin la necesidad de un tercero de confianza. Las transacciones que son computacionalmente impracticas de revertir protegerian a los vendedores del fraude, y mecanismos rutinarios de deposito en garantia podrian implementarse facilmente para proteger a los compradores. En este documento, proponemos una solucion al problema del doble gasto utilizando un servidor de marcas de tiempo distribuido peer-to-peer para generar prueba computacional del orden cronologico de las transacciones. El sistema es seguro mientras los nodos honestos controlen colectivamente mas poder de CPU que cualquier grupo cooperante de nodos atacantes.
Introduction
インターネット上の商取引は、電子決済を処理する信頼できる第三者として機能する金融機関にほぼ全面的に依存するようになった。このシステムはほとんどのトランザクションに対して十分に機能しているが、信頼ベースモデルに固有の弱点を依然として抱えている。金融機関は紛争の仲裁を避けることができないため、完全に不可逆なトランザクションは実質的に不可能である。仲裁コストはトランザクションコストを増大させ、実用的な最小トランザクションサイズを制限し、小規模なカジュアルトランザクションの可能性を断つ。さらに、不可逆なサービスに対して不可逆な支払いができないことによる、より広範なコストも存在する。取消しの可能性がある限り、信頼の必要性が広がる。商人は顧客を警戒し、本来不要な情報まで求めなければならない。一定割合の詐欺は不可避として受け入れられている。これらのコストと支払いの不確実性は、物理的な通貨を使用すれば対面で回避できるが、信頼できる当事者なしに通信チャネルを通じて支払いを行うメカニズムは存在しない。
必要とされているのは、信頼ではなく暗号学的証明に基づく電子決済システムであり、信頼できる第三者を必要とせずに任意の二者が直接取引できるようにするものである。計算上取消しが実質的に不可能なトランザクションは売り手を詐欺から保護し、日常的なエスクローメカニズムで買い手を容易に保護できる。本論文では、peer-to-peer分散タイムスタンプサーバーを用いてトランザクションの時系列順序の計算的証明を生成することで、二重支払い問題への解決策を提案する。このシステムは、正直なノードが協力する攻撃者ノードの集団よりも多くのCPUパワーを集合的に制御している限り安全である。
Transactions
Definimos una moneda electronica como una cadena de firmas digitales. Cada propietario transfiere la moneda al siguiente firmando digitalmente un hash de la transaccion anterior y la clave publica del siguiente propietario, y anadiendo estos al final de la moneda. Un beneficiario puede verificar las firmas para verificar la cadena de propiedad.
El problema, por supuesto, es que el beneficiario no puede verificar que uno de los propietarios no haya gastado doblemente la moneda. Una solucion comun es introducir una autoridad central de confianza, o casa de moneda, que verifique cada transaccion en busca de doble gasto. Despues de cada transaccion, la moneda debe ser devuelta a la casa de moneda para emitir una nueva moneda, y solo las monedas emitidas directamente por la casa de moneda son confiables de no haber sido doblemente gastadas. El problema con esta solucion es que el destino de todo el sistema monetario depende de la empresa que administra la casa de moneda, y cada transaccion debe pasar por ella, igual que un banco.
Necesitamos una forma para que el beneficiario sepa que los propietarios anteriores no firmaron ninguna transaccion previa. Para nuestros propositos, la transaccion mas temprana es la que cuenta, por lo que no nos preocupan los intentos posteriores de doble gasto. La unica forma de confirmar la ausencia de una transaccion es estar al tanto de todas las transacciones. En el modelo basado en la casa de moneda, esta estaba al tanto de todas las transacciones y decidia cual llego primero. Para lograr esto sin un tercero de confianza, las transacciones deben ser anunciadas publicamente [^1], y necesitamos un sistema para que los participantes acuerden un unico historial del orden en que fueron recibidas. El beneficiario necesita prueba de que, en el momento de cada transaccion, la mayoria de los nodos acordo que fue la primera recibida.
Transactions
我々は電子コインをデジタル署名のチェーンとして定義する。各所有者は、前のトランザクションのhashと次の所有者の公開鍵にデジタル署名し、これらをコインの末尾に追加することで、次の所有者にコインを転送する。受取人は署名を検証することで所有権のチェーンを検証できる。
もちろん問題は、受取人が所有者の一人がコインを二重支払いしていないことを検証できないことである。一般的な解決策は、すべてのトランザクションの二重支払いをチェックする信頼できる中央機関、つまり造幣局を導入することである。各トランザクションの後、コインは新しいコインを発行するために造幣局に返却されなければならず、造幣局から直接発行されたコインのみが二重支払いされていないと信頼される。この解決策の問題は、銀行と同様に、すべてのトランザクションがそこを経由しなければならず、貨幣システム全体の運命が造幣局を運営する企業に依存することである。
我々は、受取人が以前の所有者がそれ以前のトランザクションに署名していないことを知る方法を必要とする。我々の目的においては、最も早いトランザクションが有効であり、それ以降の二重支払いの試みは問題としない。トランザクションが存在しないことを確認する唯一の方法は、すべてのトランザクションを認識することである。造幣局ベースのモデルでは、造幣局がすべてのトランザクションを認識し、どれが最初に到着したかを決定していた。信頼できる当事者なしにこれを達成するためには、トランザクションは公開で通知されなければならず[^1]、参加者がトランザクションの受信順序の単一の履歴に合意するシステムが必要である。受取人は、各トランザクションの時点で、ノードの過半数がそれを最初に受信したものとして合意したことの証明を必要とする。
Timestamp Server
La solucion que proponemos comienza con un servidor de marcas de tiempo. Un servidor de marcas de tiempo funciona tomando un hash de un bloque de elementos a los que se les asignara una marca de tiempo y publicando ampliamente el hash, como en un periodico o una publicacion de Usenet [^2] [^3] [^4] [^5]. La marca de tiempo demuestra que los datos deben haber existido en ese momento, obviamente, para poder ser incluidos en el hash. Cada marca de tiempo incluye la marca de tiempo anterior en su hash, formando una cadena, donde cada marca de tiempo adicional refuerza las anteriores.
Proof-of-Work
Para implementar un servidor de marcas de tiempo distribuido en una base peer-to-peer, necesitaremos utilizar un sistema de proof-of-work similar al Hashcash de Adam Back [^6], en lugar de publicaciones en periodicos o Usenet. El proof-of-work implica buscar un valor que, al ser hasheado, como con SHA-256, el hash comience con un numero de bits cero. El trabajo promedio requerido es exponencial en el numero de bits cero requeridos y puede verificarse ejecutando un unico hash.
Para nuestra red de marcas de tiempo, implementamos el proof-of-work incrementando un nonce en el bloque hasta que se encuentra un valor que le da al hash del bloque los bits cero requeridos. Una vez que el esfuerzo de CPU se ha gastado para satisfacer el proof-of-work, el bloque no puede ser cambiado sin rehacer el trabajo. A medida que se encadenan bloques posteriores, el trabajo para cambiar el bloque incluiria rehacer todos los bloques posteriores.
El proof-of-work tambien resuelve el problema de determinar la representacion en la toma de decisiones por mayoria. Si la mayoria se basara en una-direccion-IP-un-voto, podria ser subvertida por cualquiera capaz de asignar muchas IPs. El proof-of-work es esencialmente un-CPU-un-voto. La decision mayoritaria esta representada por la cadena mas larga, que tiene el mayor esfuerzo de proof-of-work invertido en ella. Si la mayoria del poder de CPU esta controlada por nodos honestos, la cadena honesta crecera mas rapido y superara a cualquier cadena competidora. Para modificar un bloque pasado, un atacante tendria que rehacer el proof-of-work del bloque y todos los bloques posteriores, y luego alcanzar y superar el trabajo de los nodos honestos. Mostraremos mas adelante que la probabilidad de que un atacante mas lento alcance a los demas disminuye exponencialmente a medida que se anaden bloques subsiguientes.
Para compensar el aumento de la velocidad del hardware y el interes variable en ejecutar nodos a lo largo del tiempo, la dificultad del proof-of-work se determina mediante un promedio movil que apunta a un numero promedio de bloques por hora. Si se generan demasiado rapido, la dificultad aumenta.
Proof-of-Work
peer-to-peerベースで分散タイムスタンプサーバーを実装するには、新聞やUsenetの投稿ではなく、Adam BackのHashcash [^6]に類似したproof-of-workシステムを使用する必要がある。proof-of-workは、hash化した際に（例えばSHA-256で）hashが一定数のゼロビットで始まる値を探索することを含む。必要な平均作業量はゼロビット数に対して指数関数的であり、単一のhashを実行することで検証できる。
我々のタイムスタンプネットワークでは、ブロック内のnonceをインクリメントし、ブロックのhashに必要なゼロビットを与える値が見つかるまで繰り返すことでproof-of-workを実装する。proof-of-workを満たすためにCPUの労力が費やされると、その作業をやり直さない限りブロックを変更することはできない。後続のブロックがその後にチェーンされるため、ブロックを変更するための作業にはそれ以降のすべてのブロックをやり直すことが含まれる。
proof-of-workは、多数決における代表性の決定問題も解決する。もし多数決が1つのIPアドレスにつき1票に基づいていたならば、多数のIPを割り当てられる者によって覆される可能性がある。proof-of-workは本質的に1つのCPUにつき1票である。多数決は最長のチェーン、すなわち最大のproof-of-work労力が投入されたチェーンによって表される。CPUパワーの過半数が正直なノードによって制御されていれば、正直なチェーンが最も速く成長し、競合するいかなるチェーンも凌駕する。過去のブロックを改変するには、攻撃者はそのブロックとそれ以降のすべてのブロックのproof-of-workをやり直し、さらに正直なノードの作業に追いつき追い越さなければならない。遅い攻撃者が追いつく確率は、後続のブロックが追加されるにつれて指数関数的に減少することを後に示す。
ハードウェア速度の向上と、時間の経過に伴うノード運用への関心の変動を補うため、proof-of-workの難易度は1時間あたりの平均ブロック数を目標とする移動平均によって決定される。生成速度が速すぎる場合、難易度は上昇する。
Network
Los pasos para ejecutar la red son los siguientes:
- Las nuevas transacciones se transmiten a todos los nodos.
- Cada nodo recopila nuevas transacciones en un bloque.
- Cada nodo trabaja en encontrar un proof-of-work dificil para su bloque.
- Cuando un nodo encuentra un proof-of-work, transmite el bloque a todos los nodos.
- Los nodos aceptan el bloque solo si todas las transacciones en el son validas y no han sido gastadas previamente.
- Los nodos expresan su aceptacion del bloque trabajando en crear el siguiente bloque en la cadena, utilizando el hash del bloque aceptado como el hash anterior.
Los nodos siempre consideran la cadena mas larga como la correcta y continuaran trabajando para extenderla. Si dos nodos transmiten diferentes versiones del siguiente bloque simultaneamente, algunos nodos pueden recibir una u otra primero. En ese caso, trabajan en la primera que recibieron, pero guardan la otra rama en caso de que se vuelva mas larga. El empate se rompera cuando se encuentre el siguiente proof-of-work y una rama se vuelva mas larga; los nodos que estaban trabajando en la otra rama cambiaran entonces a la mas larga.
Las transmisiones de nuevas transacciones no necesariamente necesitan llegar a todos los nodos. Mientras lleguen a muchos nodos, entraran en un bloque en poco tiempo. Las transmisiones de bloques tambien son tolerantes a mensajes perdidos. Si un nodo no recibe un bloque, lo solicitara cuando reciba el siguiente bloque y se de cuenta de que le falta uno.
Network
ネットワークを運用する手順は以下の通りである：
- 新しいトランザクションがすべてのノードにブロードキャストされる。
- 各ノードが新しいトランザクションをブロックに収集する。
- 各ノードがそのブロックに対する困難なproof-of-workの発見に取り組む。
- ノードがproof-of-workを発見すると、そのブロックをすべてのノードにブロードキャストする。
- ノードは、ブロック内のすべてのトランザクションが有効であり、まだ使用されていない場合にのみ、そのブロックを承認する。
- ノードは、承認されたブロックのhashを前のhashとして使用し、チェーンの次のブロックの作成に取り組むことで、そのブロックの承認を表明する。
ノードは常に最長のチェーンを正しいものとみなし、その延長に取り組み続ける。2つのノードが異なるバージョンの次のブロックを同時にブロードキャストした場合、一部のノードはどちらか一方を先に受信する可能性がある。その場合、ノードは最初に受信した方に取り組むが、もう一方のブランチがより長くなった場合に備えて保存しておく。次のproof-of-workが発見され、一方のブランチがより長くなった時点で決着がつき、もう一方のブランチで作業していたノードはより長い方に切り替える。
新しいトランザクションのブロードキャストは、必ずしもすべてのノードに到達する必要はない。多くのノードに到達すれば、やがてブロックに取り込まれる。ブロックのブロードキャストもメッセージの欠落に対して寛容である。ノードがブロックを受信しなかった場合、次のブロックを受信した際に欠落に気づき、そのブロックを要求する。
Incentive
Por convencion, la primera transaccion en un bloque es una transaccion especial que inicia una nueva moneda propiedad del creador del bloque. Esto anade un incentivo para que los nodos apoyen la red, y proporciona una forma de distribuir inicialmente monedas en circulacion, ya que no existe una autoridad central para emitirlas. La adicion constante de una cantidad fija de nuevas monedas es analoga a los mineros de oro que gastan recursos para anadir oro a la circulacion. En nuestro caso, es el tiempo de CPU y la electricidad lo que se gasta.
El incentivo tambien puede financiarse con tarifas de transaccion. Si el valor de salida de una transaccion es menor que su valor de entrada, la diferencia es una tarifa de transaccion que se anade al valor del incentivo del bloque que contiene la transaccion. Una vez que un numero predeterminado de monedas ha entrado en circulacion, el incentivo puede transicionar completamente a tarifas de transaccion y estar completamente libre de inflacion.
El incentivo puede ayudar a alentar a los nodos a mantenerse honestos. Si un atacante codicioso es capaz de reunir mas poder de CPU que todos los nodos honestos, tendria que elegir entre usarlo para defraudar a las personas robando sus pagos, o usarlo para generar nuevas monedas. Deberia encontrar mas rentable jugar segun las reglas, reglas que lo favorecen con mas monedas nuevas que todos los demas combinados, que socavar el sistema y la validez de su propia riqueza.
Incentive
慣例により、ブロック内の最初のトランザクションは、ブロックの作成者が所有する新しいコインを生成する特別なトランザクションである。これはノードがネットワークを支援するインセンティブを追加し、発行する中央機関が存在しないため、コインを流通させる初期分配の方法を提供する。一定量の新しいコインの着実な追加は、金鉱夫が資源を費やして金を流通に追加することに類似している。我々の場合、費やされるのはCPU時間と電力である。
インセンティブはトランザクション手数料でも賄うことができる。トランザクションの出力値がその入力値よりも小さい場合、差額はそのトランザクションを含むブロックのインセンティブ値に加算されるトランザクション手数料となる。所定の数のコインが流通に入った後、インセンティブは完全にトランザクション手数料に移行し、完全にインフレーションフリーとなることができる。
インセンティブはノードが正直であり続けることを促す助けとなりうる。貪欲な攻撃者がすべての正直なノードよりも多くのCPUパワーを集めることができた場合、その力を使って自身の支払いを取り戻す詐欺を行うか、新しいコインの生成に使用するかを選択しなければならない。ルールに従って行動する方がより収益性が高いと判断するはずであり、そのようなルールは他の全員を合わせたよりも多くの新しいコインを彼に有利に与えるのであって、システムと自身の富の正当性を損なうよりもましである。
Reclaiming Disk Space
Una vez que la ultima transaccion en una moneda esta enterrada bajo suficientes bloques, las transacciones gastadas anteriores pueden descartarse para ahorrar espacio en disco. Para facilitar esto sin romper el hash del bloque, las transacciones se hashean en un Merkle Tree [^7] [^2] [^5], con solo la raiz incluida en el hash del bloque. Los bloques antiguos pueden entonces compactarse eliminando ramas del arbol. Los hashes interiores no necesitan ser almacenados.
Un encabezado de bloque sin transacciones seria de aproximadamente 80 bytes. Si suponemos que los bloques se generan cada 10 minutos, 80 bytes * 6 * 24 * 365 = 4.2MB por ano. Con los sistemas informaticos que tipicamente se vendian con 2GB de RAM en 2008, y la Ley de Moore prediciendo un crecimiento actual de 1.2GB por ano, el almacenamiento no deberia ser un problema incluso si los encabezados de bloque deben mantenerse en memoria.
Reclaiming Disk Space
コイン内の最新のトランザクションが十分な数のブロックの下に埋まれば、それ以前の使用済みトランザクションはディスクスペースを節約するために破棄できる。ブロックのhashを壊さずにこれを実現するため、トランザクションはMerkle Tree [^7] [^2] [^5]にhash化され、ルートのみがブロックのhashに含まれる。古いブロックはツリーの枝を切り落とすことでコンパクトにできる。内部のhashは保存する必要がない。
トランザクションを含まないブロックヘッダーは約80バイトとなる。ブロックが10分ごとに生成されると仮定すると、80バイト * 6 * 24 * 365 = 年間4.2MBとなる。2008年時点でコンピュータシステムが一般的に2GBのRAMを搭載して販売されており、ムーアの法則が年間1.2GBの現在の成長を予測していることを考えると、ブロックヘッダーをメモリに保持しなければならないとしてもストレージは問題とはならない。
Simplified Payment Verification
Es posible verificar pagos sin ejecutar un nodo completo de la red. Un usuario solo necesita mantener una copia de los encabezados de bloque de la cadena de proof-of-work mas larga, que puede obtener consultando los nodos de la red hasta estar convencido de que tiene la cadena mas larga, y obtener la rama del Merkle Tree que vincula la transaccion al bloque en el que se le asigno la marca de tiempo. No puede verificar la transaccion por si mismo, pero al vincularla a un lugar en la cadena, puede ver que un nodo de la red la ha aceptado, y los bloques anadidos despues de ella confirman aun mas que la red la ha aceptado.
Como tal, la verificacion es confiable mientras los nodos honestos controlen la red, pero es mas vulnerable si la red es dominada por un atacante. Aunque los nodos de la red pueden verificar las transacciones por si mismos, el metodo simplificado puede ser enganado por transacciones fabricadas de un atacante mientras este pueda continuar dominando la red. Una estrategia para protegerse contra esto seria aceptar alertas de los nodos de la red cuando detecten un bloque invalido, solicitando al software del usuario descargar el bloque completo y las transacciones alertadas para confirmar la inconsistencia. Los negocios que reciben pagos frecuentes probablemente aun querran ejecutar sus propios nodos para una seguridad mas independiente y una verificacion mas rapida.
Simplified Payment Verification
完全なネットワークノードを稼働させずに支払いを検証することが可能である。ユーザーは最長のproof-of-workチェーンのブロックヘッダーのコピーのみを保持すればよく、最長のチェーンを持っていると確信するまでネットワークノードに問い合わせることで取得でき、トランザクションをそれがタイムスタンプされたブロックにリンクするMerkleブランチを取得できる。ユーザー自身がトランザクションを確認することはできないが、チェーン内の場所にリンクすることで、ネットワークノードがそれを承認したことを確認でき、その後に追加されたブロックがネットワークがそれを承認したことをさらに裏付ける。
そのため、正直なノードがネットワークを制御している限り検証は信頼できるが、ネットワークが攻撃者に圧倒された場合はより脆弱になる。ネットワークノードはトランザクションを自ら検証できるが、この簡易的な方法は、攻撃者がネットワークを圧倒し続けられる限り、攻撃者が捏造したトランザクションに欺かれる可能性がある。これに対する防御戦略の一つは、ネットワークノードが無効なブロックを検出した際にアラートを受け入れ、ユーザーのソフトウェアに完全なブロックとアラートされたトランザクションをダウンロードさせ、不整合を確認することである。頻繁に支払いを受ける企業は、より独立したセキュリティと迅速な検証のために、おそらく自社のノードを運用することを望むだろう。
Combining and Splitting Value
Aunque seria posible manejar monedas individualmente, seria poco practico hacer una transaccion separada por cada centavo en una transferencia. Para permitir que el valor se divida y combine, las transacciones contienen multiples entradas y salidas. Normalmente habra una unica entrada de una transaccion previa mayor o multiples entradas que combinan cantidades menores, y como maximo dos salidas: una para el pago, y una devolviendo el cambio, si lo hay, al remitente.
Cabe senalar que la ramificacion, donde una transaccion depende de varias transacciones, y esas transacciones dependen de muchas mas, no es un problema aqui. Nunca es necesario extraer una copia completa e independiente del historial de una transaccion.
Combining and Splitting Value
コインを個別に扱うことは可能であるが、送金の1セントごとに別々のトランザクションを作成するのは扱いにくい。価値の分割と結合を可能にするため、トランザクションには複数の入力と出力が含まれる。通常、より大きな前のトランザクションからの単一の入力か、より小さな金額を結合する複数の入力があり、出力は最大で2つ：支払い用の1つと、もしあればお釣りを送信者に返す1つである。
あるトランザクションが複数のトランザクションに依存し、それらのトランザクションがさらに多くのトランザクションに依存するファンアウトは、ここでは問題にならないことに注意すべきである。トランザクションの完全な独立したコピーを抽出する必要は決してない。
Privacy
El modelo bancario tradicional logra un nivel de privacidad limitando el acceso a la informacion a las partes involucradas y al tercero de confianza. La necesidad de anunciar todas las transacciones publicamente excluye este metodo, pero la privacidad aun puede mantenerse rompiendo el flujo de informacion en otro lugar: manteniendo las claves publicas anonimas. El publico puede ver que alguien esta enviando una cantidad a alguien mas, pero sin informacion que vincule la transaccion a nadie. Esto es similar al nivel de informacion publicado por las bolsas de valores, donde el tiempo y tamano de las operaciones individuales, la "cinta", se hace publica, pero sin revelar quienes fueron las partes.
Como cortafuegos adicional, se deberia usar un nuevo par de claves para cada transaccion para evitar que se vinculen a un propietario comun. Cierto grado de vinculacion es aun inevitable con transacciones de multiples entradas, que necesariamente revelan que sus entradas pertenecian al mismo propietario. El riesgo es que si se revela el propietario de una clave, la vinculacion podria revelar otras transacciones que pertenecieron al mismo propietario.
Privacy
従来の銀行モデルは、関係当事者と信頼できる第三者に情報へのアクセスを制限することで一定レベルのプライバシーを実現している。すべてのトランザクションを公開で通知する必要性はこの方法を不可能にするが、別の場所で情報の流れを断ち切ることでプライバシーを維持することは可能である：公開鍵を匿名に保つことによってである。誰かが他の誰かに金額を送金していることは公開で見ることができるが、そのトランザクションを個人に結びつける情報はない。これは、証券取引所が公開する情報レベルに類似しており、個々の取引の時間と規模、すなわち「ティッカーテープ」は公開されるが、当事者が誰であるかは明かされない。
追加のファイアウォールとして、各トランザクションに新しいキーペアを使用し、共通の所有者にリンクされることを防ぐべきである。複数入力のトランザクションでは、一部のリンクは依然として不可避であり、それらの入力が同一の所有者のものであったことが必然的に明らかになる。リスクは、鍵の所有者が明らかになった場合、リンクによって同一の所有者に属する他のトランザクションが明らかになる可能性があることである。
Calculations
Consideramos el escenario de un atacante que intenta generar una cadena alternativa mas rapido que la cadena honesta. Incluso si esto se logra, no abre el sistema a cambios arbitrarios, como crear valor de la nada o tomar dinero que nunca pertenecio al atacante. Los nodos no van a aceptar una transaccion invalida como pago, y los nodos honestos nunca aceptaran un bloque que las contenga. Un atacante solo puede intentar cambiar una de sus propias transacciones para recuperar dinero que gasto recientemente.
La carrera entre la cadena honesta y la cadena de un atacante puede caracterizarse como un Paseo Aleatorio Binomial. El evento de exito es que la cadena honesta se extienda un bloque, aumentando su ventaja en +1, y el evento de fracaso es que la cadena del atacante se extienda un bloque, reduciendo la brecha en -1.
La probabilidad de que un atacante alcance desde un deficit dado es analoga al problema de la Ruina del Jugador. Supongamos que un jugador con credito ilimitado comienza con un deficit y juega potencialmente un numero infinito de intentos para tratar de alcanzar el punto de equilibrio. Podemos calcular la probabilidad de que alguna vez alcance el punto de equilibrio, o de que un atacante alguna vez alcance a la cadena honesta, de la siguiente manera [^8]:
p = probabilidad de que un nodo honesto encuentre el siguiente bloque
q = probabilidad de que el atacante encuentre el siguiente bloque
q = probabilidad de que el atacante alguna vez alcance desde z bloques detras
``````
\[
qz =
\begin{cases}
1 & \text{if } p \leq q \\
\left(\frac{q}{p}\right) z & \text{if } p > q
\end{cases}
\]
Dada nuestra suposicion de que p q, la probabilidad cae exponencialmente a medida que aumenta el numero de bloques que el atacante tiene que alcanzar. Con las probabilidades en su contra, si no logra un avance afortunado temprano, sus posibilidades se vuelven infinitesimalmente pequenas a medida que queda mas atras.
Ahora consideramos cuanto tiempo necesita esperar el destinatario de una nueva transaccion antes de estar suficientemente seguro de que el remitente no puede cambiar la transaccion. Asumimos que el remitente es un atacante que quiere hacer creer al destinatario que le pago durante un tiempo, y luego cambiarlo para pagarse a si mismo despues de que haya pasado algun tiempo. El receptor sera alertado cuando eso suceda, pero el remitente espera que sea demasiado tarde.
El receptor genera un nuevo par de claves y entrega la clave publica al remitente poco antes de firmar. Esto evita que el remitente prepare una cadena de bloques con anticipacion trabajando en ella continuamente hasta que tenga la suerte de adelantarse lo suficiente, y luego ejecutar la transaccion en ese momento. Una vez que la transaccion es enviada, el remitente deshonesto comienza a trabajar en secreto en una cadena paralela que contiene una version alternativa de su transaccion.
El destinatario espera hasta que la transaccion se haya anadido a un bloque y z bloques se hayan vinculado despues de el. No conoce la cantidad exacta de progreso que el atacante ha hecho, pero asumiendo que los bloques honestos tomaron el tiempo promedio esperado por bloque, el progreso potencial del atacante sera una distribucion de Poisson con valor esperado:
\[
\lambda = z\frac{q}{p}
\]
Para obtener la probabilidad de que el atacante aun pueda alcanzar, multiplicamos la densidad de Poisson para cada cantidad de progreso que podria haber hecho por la probabilidad de que pueda alcanzar desde ese punto:
\[
\sum_{k=0}^{\infty} \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!} \cdot \left\{
\begin{array}{cl}
\left(\frac{q}{p}\right)^{(z-k)} & \text{if } k \leq z \\
1 & \text{if } k > z
\end{array}
\right.
\]
Reorganizando para evitar sumar la cola infinita de la distribucion...
\[
1 - \sum_{k=0}^{z} \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!} \left(1-\left(\frac{q}{p}\right)^{(z-k)}\right)
\]
Convirtiendo a codigo C...
```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;
}
Ejecutando algunos resultados, podemos ver que la probabilidad cae exponencialmente con 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
Resolviendo para P menor que 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
攻撃者が正直なチェーンよりも速く代替チェーンを生成しようとするシナリオを考える。これが達成されたとしても、無から価値を創造したり、攻撃者に属さない金銭を奪うなど、システムが恣意的な変更に開かれるわけではない。ノードは無効なトランザクションを支払いとして受け入れず、正直なノードはそれを含むブロックを決して受け入れない。攻撃者は、自分自身のトランザクションの1つを変更して最近使った金銭を取り戻すことしか試みることができない。
正直なチェーンと攻撃者のチェーンの競争は二項ランダムウォークとして特徴づけることができる。成功事象は正直なチェーンが1ブロック延長されリードが+1増加すること、失敗事象は攻撃者のチェーンが1ブロック延長され差が-1縮小することである。
攻撃者が所定の不足分から追いつく確率は、ギャンブラーの破産問題に類似している。無限の信用を持つギャンブラーが不足分から出発し、損益分岐点に達しようと無限の試行を行うと仮定する。損益分岐点に達する確率、つまり攻撃者が正直なチェーンに追いつく確率は以下のように計算できる[^8]：
p = probability an honest node finds the next block
q = probability the attacker finds the next block
q = probability the attacker will ever catch up from z blocks behind
``````
\[
qz =
\begin{cases}
1 & \text{if } p \leq q \\
\left(\frac{q}{p}\right) z & \text{if } p > q
\end{cases}
\]
p qという我々の仮定の下では、攻撃者が追いつかなければならないブロック数が増加するにつれて確率は指数関数的に低下する。不利な状況において、早い段階で幸運にも前進できなければ、遅れるにつれてその可能性は極めて小さくなる。
次に、新しいトランザクションの受取人が、送信者がトランザクションを変更できないと十分に確信するまでにどのくらい待つ必要があるかを考える。送信者は、受取人にしばらくの間支払ったと信じさせた後、一定時間の経過後に自分自身への支払いに切り替えたい攻撃者であると仮定する。受信者はそれが起こった時にアラートを受けるが、送信者はそれが手遅れであることを望んでいる。
受信者は新しいキーペアを生成し、署名の直前に送信者に公開鍵を渡す。これにより、送信者が十分先行できるほどの幸運を得るまで継続的にブロックのチェーンを事前に準備し、そのタイミングでトランザクションを実行することを防ぐ。トランザクションが送信されると、不正な送信者は自分のトランザクションの代替バージョンを含む並行チェーンを秘密裏に作成する作業を開始する。
受取人はトランザクションがブロックに追加され、その後にzブロックがリンクされるまで待つ。攻撃者が正確にどの程度進んでいるかは分からないが、正直なブロックがブロックあたりの平均予想時間を要したと仮定すると、攻撃者の潜在的な進捗は期待値が次のPoisson分布となる：
\[
\lambda = z\frac{q}{p}
\]
攻撃者が今なお追いつける確率を求めるために、攻撃者が到達しうる各進捗量のPoisson密度に、その地点から追いつける確率を乗じる：
\[
\sum_{k=0}^{\infty} \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!} \cdot \left\{
\begin{array}{cl}
\left(\frac{q}{p}\right)^{(z-k)} & \text{if } k \leq z \\
1 & \text{if } k > z
\end{array}
\right.
\]
分布の無限の裾を合計することを避けるために整理すると...
\[
1 - \sum_{k=0}^{z} \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!} \left(1-\left(\frac{q}{p}\right)^{(z-k)}\right)
\]
C言語コードに変換すると...
```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;
}
いくつかの結果を実行すると、確率がzに対して指数関数的に低下することが分かる。
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
Pが0.1%未満となるzを求めると...
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
Hemos propuesto un sistema para transacciones electronicas sin depender de la confianza. Comenzamos con el marco habitual de monedas hechas de firmas digitales, que proporciona un fuerte control de propiedad, pero es incompleto sin una forma de prevenir el doble gasto. Para resolver esto, propusimos una red peer-to-peer que utiliza proof-of-work para registrar un historial publico de transacciones que rapidamente se vuelve computacionalmente impractico de cambiar para un atacante si los nodos honestos controlan la mayoria del poder de CPU. La red es robusta en su simplicidad no estructurada. Los nodos trabajan todos a la vez con poca coordinacion. No necesitan ser identificados, ya que los mensajes no se enrutan a ningun lugar particular y solo necesitan ser entregados con base en el mejor esfuerzo. Los nodos pueden abandonar y reincorporarse a la red a voluntad, aceptando la cadena de proof-of-work como prueba de lo que ocurrio mientras estuvieron ausentes. Votan con su poder de CPU, expresando su aceptacion de bloques validos al trabajar en extenderlos y rechazando bloques invalidos al negarse a trabajar en ellos. Cualquier regla e incentivo necesario puede ser aplicado con este mecanismo de consenso.
Conclusion
我々は信頼に依存しない電子取引のシステムを提案した。デジタル署名から作られるコインの通常のフレームワークから出発した。これは所有権の強力な管理を提供するが、二重支払いを防ぐ方法がなければ不完全である。これを解決するために、proof-of-workを用いてトランザクションの公開履歴を記録するpeer-to-peerネットワークを提案した。正直なノードがCPUパワーの過半数を制御していれば、攻撃者がそれを変更することは計算上急速に非現実的となる。ネットワークはその非構造的な単純さにおいて頑健である。ノードはほとんど協調なしに一斉に作業する。メッセージは特定の場所にルーティングされるのではなくベストエフォートで配信されるだけでよいため、ノードは識別される必要がない。ノードは自由にネットワークから離脱・再参加でき、不在中に何が起こったかの証明としてproof-of-workチェーンを受け入れる。ノードはCPUパワーで投票し、有効なブロックの延長に取り組むことでその承認を表明し、無効なブロックに対しては作業を拒否することで拒絶する。必要なルールとインセンティブはすべてこの合意メカニズムによって施行できる。
References
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A. Back, "Hashcash - a denial of service counter-measure," http://www.hashcash.org/papers/hashcash.pdf, 2002.
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