< Terug naar vorige pagina

Project

Het analyseren en verbeteren van Bewijs van Werk consensus protocols

Het laatste decennium zag de opkomst van toestemmingsvrije blokkettingen. Deze gedecentraliseerde systemen worden bepleit als een veelbelovende oplossing voor talrijke problemen in de wereld omdat ze geen kennis van de identiteit van de deelnemers nodig hebben. Helaas is de beveiliging van bestaande toestemmingsvrije blockchains inferieur aan die van hun tegenhangers met toestemming, waarbij de identiteit van de deelnemers openbaar en geverifieerd is. Hun prestaties zijn ook niet vergelijkbaar met gecentraliseerde concurrenten, waar transacties worden verwerkt door serverfarms in plaats van verspreide vrijwilligers.

De afgelopen jaren is er een aanzienlijk aantal nieuwe ontwerpen verschenen, die elk de beperkingen van bestaande blockchains beweren te hebben overwonnen. Er zijn echter twijfels over de verbeteringen in termen van veiligheid en performantie. De analyses van de ontwerpers van verbeterde systemen, die beweren de beveiliging te versterken, variëren in reikwijdte en kwaliteit. Zelfs enkele van de meest invloedrijke ontwerpen bieden geen analyse of laten alleen hun weerstand zien tegen één aanvalsstrategie gericht op een eerder ontwerp. Wat betreft systemen die betere prestaties claimen, offeren de meeste ervan bepaalde aspecten van beveiliging of bruikbaarheid op. Bovendien is het moeilijk om hun prestatiewinst te vergelijken, aangezien hun resultaten in verschillende omgevingen werden gesimuleerd.

Dit proefschrift heeft als doel deze verbeteringen uit te klaren en te evalueren en nieuwe ontwerpen voor te stellen om deze discipline verder te bevorderen. Onze studie is gericht op bewijs-van-werk (proof-of-work, PoW) consensusprotocollen, wat de overheersende keuze is in bestaande digitale valuta's. We breiden een krachtige methode op basis van Markov-beslissingsprocessen uit naar meerdere nutsfuncties om een vollediger beeld te krijgen van de beveiliging van deze protocollen. Met de juiste vereenvoudiging en formele modellering kan deze methode niet alleen nieuwe aanvalsstrategieën ontdekken, maar ook de weerstand tegen aangewezen aanvallen kwantificeren. De uitgebreide methode wordt toegepast op de meest invloedrijke en representatieve protocollen, wat leidt tot de ontdekking van verschillende protocolspecifieke kwetsbaarheden en algemene inzichten die relevant zijn voor alle PoW -protocollen.

Geleid door onze inzichten ontwerpen we twee nieuwe protocollen met een sterkere aanvalsweerstand. Publish or Perish is een verdediging tegen zelfzuchtig mijnen die beter presteert dan het vorige beste ontwerp. Het is compatibel met de huidige Bitcoin-implementatie en kan worden geïmplementeerd zonder het netwerk te splitsen. NC-Max wijzigt Bitcoin's Nakamoto Consensus (NC) zodat zelfzuchtig mijnen niet winstgevend is. Bovendien elimineert NC-Max het huidige knelpunt van NC en verhoogt het de doorvoer van het protocol zonder de beveiliging in gevaar te brengen.

Ons toekomstige werk omvat een prestatie-evaluatie van verschillende protocollen binnen dezelfde omgeving, het ontwerpen van veiligere en flexibelere protocollen op basis van onze ontdekte inzichten, evenals het ontwikkelen van meer geavanceerde technieken voor het evalueren van beveiliging, wij willen deze ook toepassen op recente en meer gecompliceerde PoW-protocollen.

We hopen dat onze resultaten helpen bij het leggen van een solide basis voor de discipline door de kwaliteit van inhoudelijke innovaties te evalueten en door bij te dragen aan inhoudelijke innovaties, terwijl de meest voorkomende fouten worden blootgelegd. Alleen met een dergelijke wetenschaffelijke basis kan blokketting-technologie de digitale samenleving echt ten goede komen. 

Datum:1 okt 2013 →  2 dec 2019
Trefwoorden:Bitcoin, blockchain, consensus protocol
Disciplines:Gedistribueerde systemen, Cryptografie, privacy en beveiliging
Project type:PhD project