ビットコイン：ピアツーピア電子キャッシュシステム
Abstract
Uma versao puramente peer-to-peer de dinheiro eletronico permitiria que pagamentos online fossem enviados diretamente de uma parte para outra sem passar por uma instituicao financeira. Assinaturas digitais fornecem parte da solucao, mas os principais beneficios sao perdidos se um terceiro confiavel ainda for necessario para prevenir o gasto duplo. Propomos uma solucao para o problema do gasto duplo usando uma rede peer-to-peer. A rede carimba as transacoes com timestamps fazendo hash delas em uma cadeia continua de proof-of-work baseada em hash, formando um registro que nao pode ser alterado sem refazer o proof-of-work. A cadeia mais longa nao serve apenas como prova da sequencia de eventos testemunhados, mas tambem como prova de que ela veio do maior conjunto de poder de CPU. Enquanto a maioria do poder de CPU for controlada por nos que nao estao cooperando para atacar a rede, eles gerarao a cadeia mais longa e superarao os atacantes. A rede em si requer estrutura minima. As mensagens sao transmitidas com base no melhor esforco, e os nos podem sair e reingressar na rede a qualquer momento, aceitando a cadeia de proof-of-work mais longa como prova do que aconteceu enquanto estavam 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
O comercio na Internet passou a depender quase exclusivamente de instituicoes financeiras servindo como terceiros confiaveis para processar pagamentos eletronicos. Embora o sistema funcione bem o suficiente para a maioria das transacoes, ele ainda sofre das fraquezas inerentes ao modelo baseado em confianca. Transacoes completamente irreversiveis nao sao realmente possiveis, uma vez que as instituicoes financeiras nao podem evitar a mediacao de disputas. O custo da mediacao aumenta os custos de transacao, limitando o tamanho minimo pratico da transacao e eliminando a possibilidade de pequenas transacoes casuais, e ha um custo mais amplo na perda da capacidade de fazer pagamentos irreversiveis para servicos irreversiveis. Com a possibilidade de reversao, a necessidade de confianca se espalha. Os comerciantes devem desconfiar de seus clientes, solicitando mais informacoes do que seria necessario. Uma certa porcentagem de fraude e aceita como inevitavel. Esses custos e incertezas de pagamento podem ser evitados pessoalmente usando moeda fisica, mas nenhum mecanismo existe para fazer pagamentos por um canal de comunicacao sem uma parte confiavel.
O que e necessario e um sistema de pagamento eletronico baseado em prova criptografica em vez de confianca, permitindo que quaisquer duas partes dispostas transacionem diretamente entre si sem a necessidade de um terceiro confiavel. Transacoes que sao computacionalmente impraticaveis de reverter protegeriam os vendedores contra fraudes, e mecanismos rotineiros de custodia poderiam ser facilmente implementados para proteger os compradores. Neste artigo, propomos uma solucao para o problema do gasto duplo usando um servidor de timestamp distribuido peer-to-peer para gerar prova computacional da ordem cronologica das transacoes. O sistema e seguro enquanto nos honestos controlarem coletivamente mais poder de CPU do que qualquer grupo cooperante de nos 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 uma moeda eletronica como uma cadeia de assinaturas digitais. Cada proprietario transfere a moeda para o proximo assinando digitalmente um hash da transacao anterior e a chave publica do proximo proprietario e adicionando estes ao final da moeda. Um beneficiario pode verificar as assinaturas para verificar a cadeia de propriedade.
O problema, claro, e que o beneficiario nao pode verificar se um dos proprietarios nao gastou a moeda duas vezes. Uma solucao comum e introduzir uma autoridade central confiavel, ou casa da moeda, que verifica cada transacao quanto ao gasto duplo. Apos cada transacao, a moeda deve ser devolvida a casa da moeda para emitir uma nova moeda, e apenas moedas emitidas diretamente pela casa da moeda sao confiaveis quanto a nao terem sido gastas duas vezes. O problema com esta solucao e que o destino de todo o sistema monetario depende da empresa que administra a casa da moeda, com cada transacao tendo que passar por eles, assim como um banco.
Precisamos de uma maneira para o beneficiario saber que os proprietarios anteriores nao assinaram nenhuma transacao anterior. Para nossos propositos, a transacao mais antiga e a que conta, entao nao nos preocupamos com tentativas posteriores de gasto duplo. A unica maneira de confirmar a ausencia de uma transacao e estar ciente de todas as transacoes. No modelo baseado na casa da moeda, a casa da moeda estava ciente de todas as transacoes e decidia qual chegou primeiro. Para conseguir isso sem uma parte confiavel, as transacoes devem ser anunciadas publicamente [^1], e precisamos de um sistema para que os participantes concordem com um unico historico da ordem em que foram recebidas. O beneficiario precisa de prova de que, no momento de cada transacao, a maioria dos nos concordou que ela foi a primeira recebida.
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
A solucao que propomos comeca com um servidor de timestamp. Um servidor de timestamp funciona pegando um hash de um bloco de itens a serem carimbados com timestamp e publicando amplamente o hash, como em um jornal ou postagem Usenet [^2] [^3] [^4] [^5]. O timestamp prova que os dados devem ter existido naquele momento, obviamente, para entrar no hash. Cada timestamp inclui o timestamp anterior em seu hash, formando uma cadeia, com cada timestamp adicional reforcando os anteriores.
Proof-of-Work
Para implementar um servidor de timestamp distribuido em uma base peer-to-peer, precisaremos usar um sistema de proof-of-work semelhante ao Hashcash de Adam Back [^6], em vez de jornais ou postagens Usenet. O proof-of-work envolve a varredura de um valor que, quando submetido a hash, como com SHA-256, o hash comeca com um numero de bits zero. O trabalho medio necessario e exponencial no numero de bits zero requeridos e pode ser verificado executando um unico hash.
Para nossa rede de timestamp, implementamos o proof-of-work incrementando um nonce no bloco ate que um valor seja encontrado que de ao hash do bloco os bits zero necessarios. Uma vez que o esforco de CPU tenha sido gasto para satisfazer o proof-of-work, o bloco nao pode ser alterado sem refazer o trabalho. Como blocos posteriores sao encadeados apos ele, o trabalho para alterar o bloco incluiria refazer todos os blocos apos ele.
O proof-of-work tambem resolve o problema de determinar a representacao na tomada de decisao por maioria. Se a maioria fosse baseada em um-endereco-IP-um-voto, poderia ser subvertida por qualquer pessoa capaz de alocar muitos IPs. O proof-of-work e essencialmente um-CPU-um-voto. A decisao da maioria e representada pela cadeia mais longa, que tem o maior esforco de proof-of-work investido nela. Se a maioria do poder de CPU for controlada por nos honestos, a cadeia honesta crescera mais rapido e superara quaisquer cadeias concorrentes. Para modificar um bloco passado, um atacante teria que refazer o proof-of-work do bloco e de todos os blocos apos ele e entao alcancar e superar o trabalho dos nos honestos. Mostraremos mais adiante que a probabilidade de um atacante mais lento alcancar diminui exponencialmente a medida que blocos subsequentes sao adicionados.
Para compensar a velocidade crescente do hardware e o interesse variavel em operar nos ao longo do tempo, a dificuldade do proof-of-work e determinada por uma media movel visando um numero medio de blocos por hora. Se eles forem gerados muito rapidamente, a dificuldade 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
Os passos para operar a rede sao os seguintes:
- Novas transacoes sao transmitidas para todos os nos.
- Cada no coleta novas transacoes em um bloco.
- Cada no trabalha para encontrar um proof-of-work dificil para seu bloco.
- Quando um no encontra um proof-of-work, ele transmite o bloco para todos os nos.
- Os nos aceitam o bloco somente se todas as transacoes nele forem validas e nao tiverem sido gastas anteriormente.
- Os nos expressam sua aceitacao do bloco trabalhando na criacao do proximo bloco na cadeia, usando o hash do bloco aceito como o hash anterior.
Os nos sempre consideram a cadeia mais longa como a correta e continuarao trabalhando para estende-la. Se dois nos transmitirem versoes diferentes do proximo bloco simultaneamente, alguns nos podem receber uma ou outra primeiro. Nesse caso, eles trabalham na primeira que receberam, mas guardam o outro ramo caso ele se torne mais longo. O empate sera quebrado quando o proximo proof-of-work for encontrado e um ramo se tornar mais longo; os nos que estavam trabalhando no outro ramo entao mudarao para o mais longo.
Transmissoes de novas transacoes nao precisam necessariamente alcancar todos os nos. Desde que alcancem muitos nos, elas entrarao em um bloco em breve. Transmissoes de blocos tambem sao tolerantes a mensagens perdidas. Se um no nao receber um bloco, ele o solicitara quando receber o proximo bloco e perceber que perdeu um.
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 convencao, a primeira transacao em um bloco e uma transacao especial que inicia uma nova moeda pertencente ao criador do bloco. Isso adiciona um incentivo para que os nos apoiem a rede e fornece uma maneira de distribuir inicialmente moedas em circulacao, ja que nao ha uma autoridade central para emiti-las. A adicao constante de uma quantidade fixa de novas moedas e analoga a mineradores de ouro gastando recursos para adicionar ouro a circulacao. No nosso caso, e tempo de CPU e eletricidade que sao gastos.
O incentivo tambem pode ser financiado com taxas de transacao. Se o valor de saida de uma transacao for menor que seu valor de entrada, a diferenca e uma taxa de transacao que e adicionada ao valor de incentivo do bloco que contem a transacao. Uma vez que um numero predeterminado de moedas tenha entrado em circulacao, o incentivo pode transitar inteiramente para taxas de transacao e ser completamente livre de inflacao.
O incentivo pode ajudar a encorajar os nos a permanecerem honestos. Se um atacante ganancioso for capaz de reunir mais poder de CPU do que todos os nos honestos, ele teria que escolher entre usa-lo para fraudar pessoas roubando seus pagamentos de volta, ou usa-lo para gerar novas moedas. Ele deveria achar mais lucrativo jogar pelas regras, regras que o favorecem com mais moedas novas do que todos os outros combinados, do que minar o sistema e a validade de sua propria 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
Uma vez que a transacao mais recente em uma moeda esteja enterrada sob blocos suficientes, as transacoes gastas antes dela podem ser descartadas para economizar espaco em disco. Para facilitar isso sem quebrar o hash do bloco, as transacoes sao organizadas em hash em uma Merkle Tree [^7] [^2] [^5], com apenas a raiz incluida no hash do bloco. Blocos antigos podem entao ser compactados removendo ramos da arvore. Os hashes interiores nao precisam ser armazenados.
Um cabecalho de bloco sem transacoes teria cerca de 80 bytes. Se supusermos que blocos sao gerados a cada 10 minutos, 80 bytes * 6 * 24 * 365 = 4,2MB por ano. Com sistemas de computador tipicamente vendidos com 2GB de RAM em 2008, e a Lei de Moore prevendo um crescimento atual de 1,2GB por ano, o armazenamento nao deveria ser um problema mesmo que os cabecalhos dos blocos precisem ser mantidos na 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
E possivel verificar pagamentos sem operar um no completo da rede. Um usuario precisa apenas manter uma copia dos cabecalhos de bloco da cadeia de proof-of-work mais longa, que ele pode obter consultando nos da rede ate estar convencido de que tem a cadeia mais longa, e obter o ramo Merkle que liga a transacao ao bloco no qual ela foi carimbada com timestamp. Ele nao pode verificar a transacao por si mesmo, mas ao liga-la a um lugar na cadeia, ele pode ver que um no da rede a aceitou, e blocos adicionados apos ela confirmam ainda mais que a rede a aceitou.
Assim, a verificacao e confiavel enquanto nos honestos controlarem a rede, mas e mais vulneravel se a rede for dominada por um atacante. Enquanto os nos da rede podem verificar transacoes por si mesmos, o metodo simplificado pode ser enganado por transacoes fabricadas do atacante enquanto o atacante puder continuar dominando a rede. Uma estrategia para se proteger contra isso seria aceitar alertas dos nos da rede quando eles detectam um bloco invalido, solicitando que o software do usuario baixe o bloco completo e as transacoes alertadas para confirmar a inconsistencia. Empresas que recebem pagamentos frequentes provavelmente ainda vao querer operar seus proprios nos para seguranca mais independente e verificacao mais 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
Embora fosse possivel lidar com moedas individualmente, seria impraticavel fazer uma transacao separada para cada centavo em uma transferencia. Para permitir que o valor seja dividido e combinado, as transacoes contem multiplas entradas e saidas. Normalmente havera uma unica entrada de uma transacao anterior maior ou multiplas entradas combinando quantias menores, e no maximo duas saidas: uma para o pagamento e uma devolvendo o troco, se houver, ao remetente.
Deve-se notar que o fan-out, onde uma transacao depende de varias transacoes, e essas transacoes dependem de muitas mais, nao e um problema aqui. Nunca ha a necessidade de extrair uma copia completa e independente do historico de uma transacao.
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
O modelo bancario tradicional alcanca um nivel de privacidade limitando o acesso a informacao as partes envolvidas e ao terceiro confiavel. A necessidade de anunciar todas as transacoes publicamente impede este metodo, mas a privacidade ainda pode ser mantida quebrando o fluxo de informacao em outro lugar: mantendo as chaves publicas anonimas. O publico pode ver que alguem esta enviando uma quantia para outra pessoa, mas sem informacao ligando a transacao a qualquer individuo. Isso e semelhante ao nivel de informacao divulgado pelas bolsas de valores, onde o horario e o tamanho das negociacoes individuais, a "fita", sao tornados publicos, mas sem dizer quem foram as partes.
Como uma protecao adicional, um novo par de chaves deve ser usado para cada transacao para evitar que sejam ligadas a um proprietario comum. Alguma ligacao ainda e inevitavel com transacoes de multiplas entradas, que necessariamente revelam que suas entradas pertenciam ao mesmo proprietario. O risco e que, se o proprietario de uma chave for revelado, a ligacao poderia revelar outras transacoes que pertenciam ao mesmo proprietario.
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 o cenario de um atacante tentando gerar uma cadeia alternativa mais rapido que a cadeia honesta. Mesmo que isso seja alcancado, nao abre o sistema para mudancas arbitrarias, como criar valor do nada ou tomar dinheiro que nunca pertenceu ao atacante. Os nos nao vao aceitar uma transacao invalida como pagamento, e nos honestos nunca aceitarao um bloco que as contenha. Um atacante so pode tentar mudar uma de suas proprias transacoes para recuperar dinheiro que gastou recentemente.
A corrida entre a cadeia honesta e a cadeia do atacante pode ser caracterizada como um Passeio Aleatorio Binomial. O evento de sucesso e a cadeia honesta sendo estendida por um bloco, aumentando sua vantagem em +1, e o evento de falha e a cadeia do atacante sendo estendida por um bloco, reduzindo a diferenca em -1.
A probabilidade de um atacante alcancar a partir de um dado deficit e analoga ao problema da Ruina do Apostador. Suponha que um apostador com credito ilimitado comeca em deficit e joga potencialmente um numero infinito de tentativas para tentar alcancar o equilibrio. Podemos calcular a probabilidade de ele alguma vez alcancar o equilibrio, ou de um atacante alguma vez alcancar a cadeia honesta, da seguinte forma [^8]:
p = probabilidade de um no honesto encontrar o proximo bloco
q = probabilidade de o atacante encontrar o proximo bloco
q = probabilidade de o atacante alguma vez alcancar estando z blocos atras
\[ qz = \begin{cases} 1 & \text{se } p \leq q \\ \left(\frac{q}{p}\right) z & \text{se } p > q \end{cases} \]
Dada nossa suposicao de que p q, a probabilidade cai exponencialmente a medida que o numero de blocos que o atacante precisa alcancar aumenta. Com as chances contra ele, se ele nao fizer um avanco sortudo no inicio, suas chances se tornam infinitesimalmente pequenas a medida que fica mais para tras.
Agora consideramos quanto tempo o destinatario de uma nova transacao precisa esperar antes de estar suficientemente certo de que o remetente nao pode mudar a transacao. Assumimos que o remetente e um atacante que quer fazer o destinatario acreditar que o pagou por um tempo, e entao muda-lo para pagar a si mesmo apos algum tempo ter passado. O destinatario sera alertado quando isso acontecer, mas o remetente espera que seja tarde demais.
O destinatario gera um novo par de chaves e da a chave publica ao remetente pouco antes de assinar. Isso evita que o remetente prepare uma cadeia de blocos com antecedencia trabalhando nela continuamente ate ter sorte o suficiente para ficar suficientemente a frente, e entao executar a transacao naquele momento. Uma vez que a transacao e enviada, o remetente desonesto comeca a trabalhar em segredo em uma cadeia paralela contendo uma versao alternativa de sua transacao.
O destinatario espera ate que a transacao tenha sido adicionada a um bloco e z blocos tenham sido ligados apos ele. Ele nao sabe a quantidade exata de progresso que o atacante fez, mas assumindo que os blocos honestos levaram o tempo medio esperado por bloco, o progresso potencial do atacante sera uma distribuicao de Poisson com valor esperado:
\[ \lambda = z\frac{q}{p} \]
Para obter a probabilidade de o atacante ainda poder alcancar agora, multiplicamos a densidade de Poisson para cada quantidade de progresso que ele poderia ter feito pela probabilidade de ele poder alcancar a partir daquele ponto:
\[ \sum_{k=0}^{\infty} \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!} \cdot \left\{ \begin{array}{cl} \left(\frac{q}{p}\right)^{(z-k)} & \text{se } k \leq z \\ 1 & \text{se } k > z \end{array} \right. \]
Reorganizando para evitar somar a cauda infinita da distribuicao...
\[ 1 - \sum_{k=0}^{z} \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!} \left(1-\left(\frac{q}{p}\right)^{(z-k)}\right) \]
Convertendo para codigo 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;
}
Executando alguns resultados, podemos ver a probabilidade cair exponencialmente com 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
Resolvendo 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
Propusemos um sistema para transacoes eletronicas sem depender de confianca. Comecamos com o framework usual de moedas feitas de assinaturas digitais, que fornece forte controle de propriedade, mas e incompleto sem uma maneira de prevenir o gasto duplo. Para resolver isso, propusemos uma rede peer-to-peer usando proof-of-work para registrar um historico publico de transacoes que rapidamente se torna computacionalmente impraticavel para um atacante alterar se nos honestos controlarem a maioria do poder de CPU. A rede e robusta em sua simplicidade nao estruturada. Os nos trabalham todos de uma vez com pouca coordenacao. Eles nao precisam ser identificados, uma vez que as mensagens nao sao roteadas para nenhum lugar especifico e apenas precisam ser entregues com base no melhor esforco. Os nos podem sair e reingressar na rede a qualquer momento, aceitando a cadeia de proof-of-work como prova do que aconteceu enquanto estavam ausentes. Eles votam com seu poder de CPU, expressando sua aceitacao de blocos validos ao trabalhar para estende-los e rejeitando blocos invalidos ao se recusar a trabalhar neles. Quaisquer regras e incentivos necessarios podem ser aplicados com 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
-
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.
