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基于策略梯度算法的工作量证明中挖矿困境研究

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计算机应用 2019年第5期39卷 1336-1342页

作者：王甜甜于双元徐保民北京交通大学计算机与信息技术学院北京100044

针对区块链中工作量证明(PoW)共识机制下区块截留攻击导致的挖矿困境问题,将矿池间的博弈行为视作迭代的囚徒困境(IPD)模型,采用深度强化学习的策略梯度算法研究IPD的策略选择。利用该算法将每个矿池视为独立的智能体(Agent),将矿工的... 详细信息

针对区块链中工作量证明(PoW)共识机制下区块截留攻击导致的挖矿困境问题,将矿池间的博弈行为视作迭代的囚徒困境(IPD)模型,采用深度强化学习的策略梯度算法研究IPD的策略选择。利用该算法将每个矿池视为独立的智能体(Agent),将矿工的潜入率量化为强化学习中的行为分布,通过策略梯度算法中的策略网络对Agent的行为进行预测和优化,最大化矿工的人均收益,并通过模拟实验验证了策略梯度算法的有效性。实验发现,前期矿池处于相互攻击状态,平均收益小于1,出现了纳什均衡的问题;经过policy gradient算法的自我调整后,矿池由相互攻击转变为相互合作,每个矿池的潜入率趋于0,人均收益趋于1。实验结果表明,policy gradient算法可以解决挖矿困境的纳什均衡问题,最大化矿池人均收益。

关键词：区块链工作量证明机制博弈论深度强化学习策略梯度算法

区块链中自私挖矿在传播延迟影响下的行为分析及检测方案研究

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区块链中自私挖矿在传播延迟影响下的行为分析及检测方案研究

作者：王贺立深圳大学

学位级别：硕士

自私挖矿是一种存在于基于工作量证明机制的区块链中的攻击性挖矿策略。攻击者通过延迟区块广播的时机来截取其它矿工的挖矿奖励,以此来获得比正常挖矿更多的收益。这种攻击对工作量证明机制的激励相容性造成了破坏。工作量证明机制现... 详细信息

自私挖矿是一种存在于基于工作量证明机制的区块链中的攻击性挖矿策略。攻击者通过延迟区块广播的时机来截取其它矿工的挖矿奖励,以此来获得比正常挖矿更多的收益。这种攻击对工作量证明机制的激励相容性造成了破坏。工作量证明机制现已被广泛地应用在以比特币为代表的区块链系统中,它被认为是一种拥有“激励相容”特性的共识协议,即它可以使区块链中各个矿工都以公平互惠的原则进行挖矿,矿工的收益与其拥有的算力相匹配,这也就保证了区块链网络中矿工获得的收益是公平的。这种公平性是基于工作量证明机制的区块链系统能稳定运行的核心保障之一,但是自私挖矿攻击的出现挑战了这一特性,对区块链生态的健康运行和可持续发展造成了严重威胁,因此研究自私挖矿攻击对于提高区块链系统的稳定性和安全性有着重要的价值和意义。为应对自私挖矿,首先需要更加充分地研究其作用机制,然后根据其作用机制来设计出相应的检测或者防御对策。为了达到上述目标,本文从以下两个方面对自私挖矿进行了研究:1.本文研究了区块链传播延迟对于自私挖矿的影响。区块链网络中传播延迟的存在是自私挖矿出现的根本原因,因此研究这一因素有助于更加深刻地认识自私挖矿的运行机制。根据工作量证明机制区块链的P2P网络特性,本文提出了一个基于空间泊松过程的、两个自私挖矿者相互竞争传播区块发现消息的新数学模型;在这个模型的基础上,本文推导出了两个自私挖矿者收益分布情况的精确数学表达式。通过这一新模型,本文对攻击者的收益分布与传播延迟差值的关系做出了定量分析,并对在此基础上对传统模型的马尔科夫链做出了改进。接下来通过仿真实验对这个模型进行了验证。2.本文同时也提出了一种自私挖矿的检测方案。该检测方案创新性地利用了区块链中区块的高度和区块中的交易记录特征,可以做到对网络中的自私挖矿行为进行实时检测,有一定的实用价值。该方案为生成的新区块定义了一个状态值,这个状态值与区块中包含交易数量、支付给矿工的交易费用等数据将有关。根据这些特征值间的数学关系,可以判断出该区块是否来自自私挖矿者。本文通过仿真实验测试了攻击者在不同算力下,该检测方案的检出情况。结果表明,这一检测方案在判断区块是否来自自私挖矿时,有86.02%以上的准确率,可以有效地对自私挖矿产生的区块进行检测。

关键词：自私挖矿工作量证明机制 P2P网络

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公有区块链共识算法研究与改进

公有区块链共识算法研究与改进

作者：田炽招深圳大学

学位级别：硕士

区块链技术从2008年出现至今短短十年,就已获得全球范围内众多政府、各界企业团体和个人的广泛关注和参与,因这项技术具备优异的去中心化和防篡改特性,在数字资产、溯源、鉴权、征信等领域具有广阔应用前景,作为区块链技术的核心算法,... 详细信息

区块链技术从2008年出现至今短短十年,就已获得全球范围内众多政府、各界企业团体和个人的广泛关注和参与,因这项技术具备优异的去中心化和防篡改特性,在数字资产、溯源、鉴权、征信等领域具有广阔应用前景,作为区块链技术的核心算法,共识算法的研究对于区块链技术应用的落地意义重大。本文以探索和改进公有区块链共识算法作为研究背景,首先介绍主流共识算法及对应的适用范围,再对各类算法的优缺点进行对比分析,并从安全性、开放性角度出发,认为PoW算法仍是目前公有区块链系统共识算法的最佳选择。其次提出,作为被认可度最高的公有链共识算法,PoW算法存在着交易确认时间较长,在获得较少确认数时交易存在被篡改风险的问题。针对此问题,提出一种对原PoW算法进行优化改进的方法,创新性地将分叉再共识过程提前到分叉发生的首个区块,同时增加节点在分叉处于相同长度时主动判断分叉难度的机制,以加速完成网络分叉的再共识,从而提高被篡改概率的收敛速度。改进后的PoW算法理论上将在以下方面改善区块链网络:1、分叉概率降低,提高用户交易信心,交易更安全;2、抑制分叉长度,减少保证交易安全所需的确认次数,提高使用便利性。最后,基于比特币源码对所设计的优化算法进行编码实现,并设置对照实验,测试改进前后算法各分叉长度的概率,实验结果显示:改进后的算法将各长度分叉平均概率降低约50%,同时减少了保证交易安全所需的确认累计,即减少交易确认用时,与理论分析结果吻合。

关键词：区块链去中心化共识算法工作量证明机制

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面向边缘计算的移动区块链任务迁移技术研究

面向边缘计算的移动区块链任务迁移技术研究

作者：夏承鹏广东工业大学

学位级别：硕士

区块链技术拥有去中心化、可溯源以及不可篡改等安全特性,并已被应用于电子货币、智能电网和物联网等多个领域。然而,目前应用最为广泛的区块链工作量证明机制仍然因为其大量的计算资源需求而被人们所诟病,同时成为了区块链在移动端蓬... 详细信息

区块链技术拥有去中心化、可溯源以及不可篡改等安全特性,并已被应用于电子货币、智能电网和物联网等多个领域。然而,目前应用最为广泛的区块链工作量证明机制仍然因为其大量的计算资源需求而被人们所诟病,同时成为了区块链在移动端蓬勃发展的阻碍。为了解决该问题,研究者引入了边缘计算,通过迁移移动用户的工作量证明任务,保证区块链在移动环境中的运行。但现有的关于移动区块链任务迁移的大多数工作都假设单个移动用户可以从边缘服务器购买全部资源,同时也没有考虑应用于任务迁移所有参与方的激励策略。对于上述问题,本文提出了一种新型的三阶段拍卖移动区块链任务迁移模型。在该模型中,我们首先将区块链生成过程建模为一个遵循泊松分布的过程,形式化地阐述了通过该过程移动用户可以获得的期望收入,最后将研究的问题建模为一个整体效益最优化的问题,并引入社会效益将其量化。为解决该问题,本文以边缘服务器充当卖家,移动用户充当买家,通过将移动用户计算密集型的工作量证明难题任务迁移到到边缘服务器上执行,弥补移动设备自身计算资源的不足。将拍卖机制与团购机制结合,激励边缘服务器共享其资源到以移动用户为单位的小组中,保证了移动用户能够负担得起资源费用。在本文提出的拍卖机制中,第一阶段设计了一种潜在赢家确定算法,算法将移动用户划分为若干个组,然后根据移动用户对边缘服务器的偏好,从每个组中选择不同移动用户作为对每个边缘服务器的潜在赢家。此外,设计了一种基于VickreyClarke-Groves拍卖的赢家潜在支付费用确定算法,用于确定移动用户的潜在支付价格以及第二阶段中基站对边缘服务器的出价。第二阶段设计了一种基站与边缘服务器匹配算法,根据基站的出价以及资源信息,将基站与边缘服务器进行匹配,并计算基站的实际支付价格。在第三阶段,基于前两个阶段的匹配完成费用清算,然后将边缘服务器分配给相应的小组,移动用户将任务迁移到边缘服务器执行。本文通过理论分析证明了提出的拍卖机制符合诚实性、个人合理性、预算平衡性三项经济性质。同时证明了提出算法是近似比为（1-ε）的近似算法,以及算法的高效性。最后,通过仿真实验研究了区块链参数对社会效益的影响,并在性能上与现有的三种算法进行对比,结果表明,与现有方案相比本文提出的机制在移动用户数量为1000时社会效益平均分别提高了33.78%、21.84%和19.69%。

关键词：移动区块链边缘计算拍卖任务迁移工作量证明机制

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重复博弈下自私挖矿的作用机制研究

重复博弈下自私挖矿的作用机制研究

作者：曹雪莲西南大学

学位级别：硕士

区块链中的工作量证明机制（Proof of Work,Po W）是一种通过矿池间的挖矿竞争来完成区块记账权和奖励分配的共识机制。因其简单易实现及去中心化程度高等特点,已成为当前区块链项目的主流共识形成方案。然而,Po W的安全性依赖于矿池会... 详细信息

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

关键词：自私挖矿重复博弈 κ-SM策略工作量证明机制程序分析