ブロックチェーンを持続可能にする数理的・実験的研究

• Project/Area Number: 21H04872
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 60:Information science, computer engineering, and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 首藤 一幸 京都大学, 学術情報メディアセンター, 教授 (90308271)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 斉藤 賢爾 早稲田大学, 商学学術院(経営管理研究科), 教授 (10383928) ; 坂野 遼平 工学院大学, 情報学部(情報工学部), 准教授 (30832521)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥41,470,000 (Direct Cost: ¥31,900,000、Indirect Cost: ¥9,570,000); Fiscal Year 2023: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000); Fiscal Year 2022: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000); Fiscal Year 2021: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
• Keywords: ブロックチェーン / 安全性 / 分権性 / トリレンマ / インセンティブ整合性

Outline of Research at the Start

ブロックチェーンの安全性、分権性、インセンティブ整合性を向上させる。ブロックチェーン、DAGの構成法を網羅的に調査・整理し、攻撃手法の調査・考案・評価を数理的・実験的に行う。これにより、持続可能性を備えたブロックチェーンの構成法を確立する。

Outline of Annual Research Achievements

2017年、Buterinが経験則として提唱し、それ以来広く信じられてきたブロックチェーントリレンマを表す数式を発見した。以下は、その経緯である。安全性の研究を進める中で、セキュリティ指標であるフォーク発生率Fを厳密に算出する式を見出した（Sakurai，ICCE 2023）。Fを表す数式をよく観察すると、その中に安全性と性能が現れていることに気がついた。安全性と性能は、トリレンマが扱う3要素のうちの2要素である。ということは、この式を適切に変形することでトリレンマを表す数式を得られるかもしれない、と発想した。結果、Proof of Workにて、フォーク率の逆数をセキュリティとする数式を得ることができた。

安全性：ブロック伝搬の高速化手法をいくつか発表した（Sakurai，ISCC 2023）（Hasegawa，ISCC 2023）。fork choice ruleがあってもなおどのチェーンを正規とみなすか？という問題を解決する手法を提案した（櫻井，SCIS 2024）。性能向上のために行うブロックサイズ増加とブロック生成時間短縮のどちらがセキュリティへの影響が大きいかを調べた（Nakai，ICCE 2024）。Bitcoinにおいて、半減期が二重支払い攻撃の合理性をどう左右するか？を調べた（中井，信学会 研究報告）。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A Study of Using Plumtree Algorithm in Blockchain Networks (2023)
  • Author(s): Kitagawa Yusuke、Shudo Kazuyuki、Mizuno Osamu、Banno Ryohei
  • Journal Title: Journal of Information Processing Volume: 31 Issue: 0 Pages: 387-391
  • DOI: 10.2197/ipsjjip.31.387
  • ISSN: 1882-6652
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Trail: An Architecture for Compact UTXO-Based Blockchain and Smart Contract (2022)
  • Author(s): Ryunosuke Nagayama, Ryohei Banno, Kazuyuki Shudo
  • Journal Title: IEICE Transactions on Information and Systems Volume: E105.D Issue: 2 Pages: 333-343
  • DOI: 10.1587/transinf.2021EDP7139
  • NAID: 130008149966
  • ISSN: 0916-8532, 1745-1361
  • Year and Date: 2022-02-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] トラストレスのメカニズム (2022)
  • Author(s): 首藤一幸
  • Journal Title: 情報処理 Volume: Vol.64, No.1
• [Journal Article] Exploiting semi-structured overlay networks in blockchain systems (2021)
  • Author(s): Ryohei Banno, Yusuke Kitagawa, Kazuyuki Shudo
  • Journal Title: IEICE Communications Express Volume: 10 Issue: 8 Pages: 447-450
  • DOI: 10.1587/comex.2021ETL0011
  • NAID: 130008070798
  • ISSN: 2187-0136
  • Year and Date: 2021-08-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Impact of Saving Attacks on Blockchain Consensus (2021)
  • Author(s): Kai Otsuki, Ryuya Nakamura, Kazuyuki Shudo
  • Journal Title: IEEE Access Volume: Vol.9 Pages: 133011-133022
  • DOI: 10.1109/access.2021.3115131
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lightweight selective disclosure for verifiable documents on blockchain (2021)
  • Author(s): Kenji Saito, Satoki Watanabe
  • Journal Title: ICT Express Volume: Volume 7, Issue 3 Issue: 3 Pages: 290-294
  • DOI: 10.1016/j.icte.2021.08.012
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Impacts on Fork Rate of Changes of Block Size and Block Generation Time for Blockchain Scalability (2024)
  • Author(s): Taishi Nakai, Kazuyuki Shudo
  • Organizer: Proc. IEEE 42nd International Conference on Consumer Electronics (IEEE ICCE 2024)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ブロックチェーンにおけるPartial Proof of Workに基づくチェーン競合解消ルール (2024)
  • Author(s): 櫻井晶, 首藤一幸
  • Organizer: 2024年 暗号と情報セキュリティシンポジウム (SCIS 2024) 論文集
• [Presentation] ブロックチェーントリレンマの数理的定式化 (2024)
  • Author(s): 中井大志, 廣中詩織, 首藤一幸
  • Organizer: 2024年 暗号と情報セキュリティシンポジウム (SCIS 2024) 論文集
• [Presentation] Quantitative Analysis of the Reward Rate Disparity Among Delegators in a DPoS Blockchain (2024)
  • Author(s): Hidemasa Tanaka, Shiori Hironaka, Kazuyuki Shudo
  • Organizer: Proc. 2024 IEEE Int'l Conf. on Big Data and Smart Computing (IEEE BigComp 2024), pp.136-142
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ブロックチェーントリレンマの数理的記述 (2024)
  • Author(s): 中井大志, 櫻井晶, 廣中詩織, 首藤一幸
  • Organizer: ポスター発表, 京都大学 第18回 ICTイノベーション
• [Presentation] Rerouting Tip Algorithm to Bypass Conflicting Transactions in Tangle (2024)
  • Author(s): Changle Wan, Kazuyuki Shudo
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.422, IA2023-81, pp.43-47
• [Presentation] Compact Block Relayにおける高帯域ノード選択方式 (2024)
  • Author(s): 増田真之介, 長谷川毅, 中井大志, 櫻井晶, 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.422, IA2023-82, pp.48-53
• [Presentation] ブロックチェーンにおけるマイニング公平性の定量的な解析 (2024)
  • Author(s): 櫻井晶, 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.422, IA2023-83, pp.54-58
• [Presentation] DPoSブロックチェーンにおける報酬率に関わる要素の分析 (2024)
  • Author(s): 田中秀昌, 廣中詩織, 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.422, IA2023-84, pp.59-65
• [Presentation] 半減期がある状況での二重支払い攻撃の経済合理性 (2024)
  • Author(s): 中井大志, 櫻井晶, 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.422, IA2023-87, pp.79-85
• [Presentation] Blockchain Network Studies Enabled by SimBlock (2023)
  • Author(s): Kazuyuki Shudo, Tsuyoshi Hasegawa, Akira Sakurai, Ryohei Banno
  • Organizer: Demonstration, Proc. 2023 IEEE Int'l Conf. on Blockchain and Cryptocurrency (IEEE ICBC 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Accelerating Block Propagation with Sender Switchover in a Blockchain (2023)
  • Author(s): Akira Sakurai, Kazuyuki Shudo
  • Organizer: Proc. 28th IEEE Symposium on Computers and Communications (IEEE ISCC 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quick Notification of Block Generation Using Bloom Filter in a Blockchain (2023)
  • Author(s): Tsuyoshi Hasegawa, Akira Sakurai, Kazuyuki Shudo
  • Organizer: Proc. 28th IEEE Symposium on Computers and Communications (IEEE ISCC 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ブロックチェーン「ネットワーク」の研究 (2023)
  • Author(s): 首藤一幸
  • Organizer: Web3.0時代における非中央集権型ネットワーク技術とその応用 (企画セッション), 電子情報通信学会 2023年 ソサイエティ大会
  • Invited
• [Presentation] DNSSECから学ぶ暗号資産交換業での署名鍵管理手法の提案 (2023)
  • Author(s): 竹井悠人, 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.193, IA2023-30, pp.115-122
• [Presentation] ブロックチェーントリレンマの数理的記述 (2023)
  • Author(s): 中井大志, 櫻井晶, 廣中詩織, 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.193, IA2023-31, pp.123-130
• [Presentation] ブロックチェーンにおけるトランザクションの手数料を利用したチェーン競合解消ルール (2023)
  • Author(s): 櫻井晶, 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.193, IA2023-32, pp.131-138
• [Presentation] Towards Mathematical Formulation of the Blockchain Trilemma (2023)
  • Author(s): Taishi Nakai
  • Organizer: Blockchain Kaigi 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DPoSブロックチェーンにおけるデリゲータごとの報酬格差の定量的分析 (2023)
  • Author(s): 田中秀昌, 廣中詩織, 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.272, NS2023-122, pp.68-73
• [Presentation] The Blockchain Trilemma Described by a Formula (2023)
  • Author(s): Taishi Nakai, Akira Sakurai, Shiori Hironaka, Kazuyuki Shudo
  • Organizer: Proc. 6th IEEE Int'l Conf. on Blockchain (IEEE Blockchain 2023), pp.41-46
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact of the Hash Rate on the Theoretical Fork Rate of Blockchain (2023)
  • Author(s): Akira Sakurai, Kazuyuki Shudo
  • Organizer: Proc. IEEE 41st International Conference on Consumer Electronics (IEEE ICCE 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ブロックチェーンネットワークにおける複数Plumtree適用のシミュレーション評価 (2023)
  • Author(s): 北川雄介, 首藤一幸, 水野修, 坂野遼平
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.406, NS2022-204, pp.213-218
• [Presentation] ブロックチェーンにおけるブルームフィルタを用いたブロック生成通知の最適化 (2023)
  • Author(s): 長谷川毅, 櫻井晶, 首藤一幸
  • Organizer: 第15回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM 2023)
• [Presentation] Proof of Stakeブロックチェーンにおける分散時刻同期プロトコル (2022)
  • Author(s): 三木友弥, 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.85, IA2022-2 (No.86, ICSS2022-2), pp.8-14
• [Presentation] ブロックチェーン「ネットワーク」の研究 (2022)
  • Author(s): 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.129, CQ2022-24, p.42
  • Invited
• [Presentation] Block Pruning With UTXO Aggregation (2022)
  • Author(s): Taegyu Song, Kazuyuki Shudo
  • Organizer: Proc. 5th IEEE Int'l Conf. on Blockchain (IEEE Blockchain 2022, BlockchainEvo 2022), pp.312-319
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Block Interval Adjustment Based on Block Propagation Time in a Blockchain (2022)
  • Author(s): Masumi Arakawa, Kazuyuki Shudo
  • Organizer: Proc. 5th IEEE Int'l Conf. on Blockchain (IEEE Blockchain 2022), pp.202-207
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Distributed Clock Synchronization Protocol for Proof of Stake Blockchains (2022)
  • Author(s): Yuya Miki, Kazuyuki Shudo
  • Organizer: Proc. 5th IEEE Int'l Conf. on Blockchain (IEEE Blockchain 2022), pp.132-138
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ブロックチェーンにおける性能とセキュリティの関係 (2022)
  • Author(s): 首藤一幸
  • Organizer: 応用物理学会 超集積エレクトロニクス産学連携委員会 夏の学校
• [Presentation] ブロックチェーンの理論フォーク率にハッシュレートが与える影響 (2022)
  • Author(s): 櫻井晶, 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.185, IA2022-20, pp.32-35
• [Presentation] Proof of authenticity of general IoT information with sensors and blockchain (2022)
  • Author(s): Kenji Saito, Hiroshi Watanabe, Shogo Watanabe, Katsuo Taniguchi
  • Organizer: Flash Memory Summit 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reverse Gutenberg Galaxy: Digital Transformation of Economy and Labor (2022)
  • Author(s): Kenji Saito
  • Organizer: Proc. of the Future Technologies Conference (FTC) 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ブロックチェーンネットワークにおけるPlumtree適用のシミュレーション評価 (2022)
  • Author(s): 北川雄介, 首藤一幸, 水野修, 坂野遼平
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.185, NS2022-19, pp.26-31
• [Presentation] UTXO AggregationによるBlock Pruning (2022)
  • Author(s): Song Taegyu, 首藤一幸
  • Organizer: 第14回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM 2022)
• [Presentation] ブロックチェーンにおけるブロック送信元切り替えによるブロック伝搬の高速化 (2022)
  • Author(s): 櫻井晶, 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.409, IA2021-67 (No.408, SITE2021-54), pp.52-57
• [Presentation] ブロックチェーンにおけるブロック伝搬時間に基づくブロック生成間隔調整 (2022)
  • Author(s): 荒川真澄, 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.409, IA2021-68 (No.408, SITE2021-55), pp.58-62
• [Presentation] A Path to Meta-Nature : Automated Environment Where Even Pencils Grow on A Tree (2022)
  • Author(s): Kenji Saito
  • Organizer: CCRC International Conference 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ブロックチェーンネットワークにおけるPlumtreeアルゴリズムの適用検証 (2021)
  • Author(s): 北川雄介, 首藤一幸, 水野修, 坂野遼平
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.121, No.68, IA2021-7 (No.69, ICSS2021-7), pp.39-42
• [Presentation] ブロックチェーン「ネットワーク」の研究 (2021)
  • Author(s): 首藤一幸
  • Organizer: 電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.121, No.74, NS2021-27 (No.75, OCS2021-3) (No.76, PN2021-9), p.14
  • Invited
• [Presentation] An Examination Protocol for Handling Programmable Answers Using a Public Blockchain (2021)
  • Author(s): Shu Takayama, Yuto Takei, Kazuyuki Shudo
  • Organizer: Proc. 4th IEEE Int'l Conf. on Blockchain (IEEE Blockchain 2021, IEEE Workshop on Blockchain Security, Application, and Performance (BSAP 2021)), pp.361-368
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Verification of Applying Plumtree Algorithm for Blockchain Networks (2021)
  • Author(s): Yusuke Kitagawa, Kazuyuki Shudo, Osamu Mizuno, Ryohei Banno
  • Organizer: Proc. 2021 Int'l Conf. on Emerging Technologies for Communications (ICETC 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Study of Applying Plumtree Algorithm for Blockchain Networks (2021)
  • Author(s): Yusuke Kitagawa, Kazuyuki Shudo, Osamu Mizuno, Ryohei Banno
  • Organizer: International Symposium on Advanced Technology (ISAT), p.253
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Proof of Authenticity of Logistics Information with Passive RFID Tags and Blockchain (2021)
  • Author(s): Hiroshi Watanabe, Kenji Saito, Satoshi Miyazaki, Toshiharu Okada, Hiroyuki Fukuyama, Tsuneo Kato, Katsuo Taniguchi
  • Organizer: 2021 International Conference on Electronic Communications, Internet of Things and Big Data (ICEIB)
  • Int'l Joint Research