2020 Fiscal Year Annual Research Report
Informatics Study on Ultra-Scalable Blockchain Technology
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19H01103
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
笠原 正治 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (20263139)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
笹部 昌弘 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (10379109)
川原 純 京都大学, 情報学研究科, 准教授 (20572473)
張 元玉 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (90804013)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ブロック・チェーン / DSSトリレンマ / 低遅延P2Pネットワーク / 高速ブロック同期 / IoTアクセス制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)ビットコインにおけるBWH攻撃のゲーム理論的分析
ビットコインでは，複数のマイナーノードがマイニングプールと呼ばれるグループを形成してハッシュ計算を協力して行っている．参加ノードに対する報酬は貢献度に応じて配分されるため，マイナーノードは大きい収益が期待できるマイニングプールを選択しようとする．一方，マイニングプールレベルのセキュリティ問題として，マイナーをスパイとしてプールに潜入させ，ブロックを発見してもプール管理者に通知しない形でマイニングを妨害するBlock Withholding (BWH)攻撃が知られている．ここではBWH攻撃が存在する状況下でのマイナーのプール選択問題について，プール数が二つの場合に着目し，進化ゲーム理論を用いてマイナーノード人口の時間推移を分析するモデルを検討した．計算機シミュレーションより，進化的に安定となる戦略の存在を確認するとともに，スパイ・マイナーのハッシュレートが相対的に小さい場合でも攻撃対象プールの収益を低下させ，攻撃側のプールのマイナー人口が増加することが確認された．
(2)有向非巡回グラフ構造を持つ分散台帳技術を応用したIoTアクセス制御技術
莫大な数のIoTデバイスがネットワーク接続されたIoTシステムに対する分散台帳技術として，IOTAフレームワークがある．IOTAでは，Tangleと呼ばれる有向非巡回グラフ構造を持ったデータ構造でトランザクションを保持する．ここでは公開鍵暗号方式の一種であるCP-ABE方式に着目し，CapBACとABACを組み合わせたアクセス制御方式の提案を行った．提案方式では，サブジェクトとその所有者の間に安全な通信路を必要とせず，1対多のアクセス制御を提供できる．提案方式の実行可能性を検証するため，プロトタイプの実装を行い，権限の付与や検証の機能に対する実証実験を通じて提案方式の実行可能性を確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は(1)ビットコイン・ブロック・チェーンにおけるセキュリティ脆弱性，(2) 有向非巡回グラフ構造を持つ分散台帳技術を応用したIoTアクセス制御技術，(3) ZDDによるグラフ列挙アルゴリズムの高速化手法と応用，の三点を中心に検討を進め，順調に研究が進展している．
(1) ブロック・チェーンにおけるセキュリティ脆弱性問題としてBWH攻撃に着目し，進化ゲーム理論を用いてマイナー人口の推移を分析した．また，マイナーノードのプール選択を強化学習で行わせる状況を考え，Q学習，DQN, A2Cの3種類のアルゴリズムについて計算機シミュレーションによる特性評価を行った．
(2) IOTAの従来研究では，MAMと呼ばれるプロトコルを活用したアクセス制御方式が提案されているが，サブジェクトとその所有者の間に安全な通信路が必要であり，1対1のアクセス制御に限定されているといった欠点があった．ここではCP-ABEと呼ばれる公開鍵暗号方式に着目し，CapBACとABACを組み合わせたアクセス制御方式を提案した．提案方式では，サブジェクトと所有者の間に安全な通信路を必要とせず，1対多のアクセス制御を提供できる．提案方式の実行可能性を検証するため，プロトタイプの実装を行い，権限の付与や検証の機能に対する実証実験を通じて提案方式の実行可能性を確認した．
(3) ZDDを用いて部分グラフを列挙する手法としてフロンティア法がある．ここではフロンティア法の高速化手法としてビームサーチと局所探索による変数順序付けを工夫した手法を検討し，サイズの大きいグラフに対する列挙問題に対して従来法よりも効率よく処理できることを計算機実験により確認した．また，ZDDが取り扱えるグラフクラス拡張のため，メニエルグラフと交差弦グラフと呼ばれるクラスに着目し，ZDDを構築するアルゴリズムの提案とその有効性に対する検証を行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)ビットコインでは一部のマイナーノードがトランザクション手数料による優先処理を行なっていることが知られている．一方，最近の関連研究において，手数料がブロック・チェーンの安全性にも影響を与える可能性があることが報告されている．ここでは過去に検討した待ち行列モデルを発展させ，ブロック承認における合意形成アルゴリズムを考慮した，トランザクション手数料とセキュリティの脆弱性の関係を分析する数理モデルの検討を行う．具体的には，トランザクション手数料とマイナーノードの参加離脱行動の関係性をゲーム理論によって定式化し，ブロック・チェーンのセキュリティに対する手数料の影響を表現する数理モデルを提案するとともに，高い安全性を保証しつつ高スループットを実現する手数料の決定方法についても検討を行う．
(2)ブロック・チェーンの合意形成アルゴリズムとして，投票に基づいてブロックの正当性を検証するProof-of-Stake (PoS)がある．PoSでは，不正な投票が増大すると適切な合意形成ができなくなるため，参加ノードに正しい投票を行わせるインセンティブ・メカニズムが重要である．ここでは参加ノードの投票結果に対して投票履歴を考慮して報酬・罰則を与える方式，及び罰則で回収したトークンを再配布するメカニズムについても検討を行う．
(3) Ethereum上でIoTデバイスが生成する大量のデータを蓄積しようとすると，管理処理に高いコストがかかることが知られている．一方，データをオフチェーン型のデータ構造として取り扱う方式としてオラクルと呼ばれる技術がある．このブロック・チェーン・オラクル技術に着目し，大規模IoTネットワーク上で大量に処理されるデータの効率的な利用に向けたオラクルベースのメインチェーン・オフチェーン結合アーキテクチャを検討し，プロトタイプを実装して提案方式の実現可能性を検討する．
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