شماره مدرك
21049
شماره راهنما
2478 دكتري
پديد آورنده
شهراب، مجتبي
عنوان
بررسي تاثير حذف پاداش بلوك بر رفتار استخراجگرها در بلاكچين مبتني بر اثبات كار
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
مخابرات-سيستم
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
ده، 146 ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
بلاكچين , بيت كوين , اثبات كار , اندازه بلوك , قدرت استخراج , تعادل نش , قدرت هش , كارمزد تراكنش , پاداش بلوك
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/27
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي برق
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/02/28
كد ايرانداك
23221112
چكيده فارسي
از آنجايي كه امنيت يك سيستم بلاكچين وابسته به رفتار استخراجگران است، تحليل رفتار استخراجگران در شرايط مختلف يكي از موضوعات مهم در اين سيستمها است. رفتارهاي خودخواهانه، حريصانه و طمعكارانه استخراجگران، يك چالش جدي در اين سيستمها است كه بايد در شرايط مختلف مورد بررسي قرار بگيرد. در بيت كوين ابتدا پاداش ثابت و پاداش كارمزد تراكنش دو انگيزه اصلي استخراجگران است و سپس به مرور زمان پاداش ثابت كاهش خواهد يافت. اين چالشها در زماني كه پاداش بلوك به صفر نزديك شود و يا اينكه به علل مختلف كارمزد تراكنش انگيزه اصلي استخراج گردد، بيش از پيش خواهد بود. بنابراين بررسي اين چالشها در سيستمهاي بلاكچين مبتني بر اثبات كار، خصوصا سيستم بيت كوين، باعث بهبود كارآيي و كاهش خطرات احتمالي خواهد شد. انتخاب اندازه بلوك و قدرت استخراج توسط استخراجگران چالشهاي مهمي در اين شرايط خواهد بود. در اين پژوهش با مدلسازي رفتار استخراج گران، تاثير پارامترهاي مختلف در انتخاب هر يك از دو مذكور مورد ارزيابي قرار گرفته است. در انتخاب اندازه بلوك توسط استخراجگران، به وضوح روشن است كه بزرگ كردن اندازه بلوك پاداش بيشتري را نصيب استخراجگر برنده ميكند؛ اما از طرف ديگر تاخيرات موجود در شبكه باعث ميشود كه استخراجگران با افزايش اندازه بلوك، احتمال برنده شدن كمتري را داشته باشند. در نتيجه انتخاب اندازه بلوك بهينه كه منجر به حداكثر ميانگين سود ميشود، مساله مهمي است كه ميتواند بر روي سلامت و پايداري شبكه موثر باشد. همچنين در بلاكچينهاي مبتني بر اثبات كار، افزايش قدرت استخراج منجر به افزايش احتمال برنده شدن استخراجگر خواهد شد. از طرف ديگر افزايش قدرت محاسباتي نيازمند سرمايهگذاري مالي قابل توجه و همچنين صرف هزينههاي جاري بيشتر خواهد بود، بنابراين تعيين سطح بهينه قدرت محاسباتي براي به حداكثر رساندن سود، يك نگراني اساسي براي استخراجگرها در شرايط مختلف به خصوص در هنگامي كه پاداش بلوك ناچيز شود، خواهد بود. در رساله پيش رو انتخاب اندازه بلوك بهينه و قدرت استخراج بهينه، در شرايط مختلف مورد بررسي و تحليل قرار گرفته است؛ در ابتدا يك سيستم مدل مناسب براي بررسي انتخاب اندازه بلوك بهينه ارائه گرديده و احتمال برنده شدن استخراجگران برحسب پارامترهاي موثر بر آن، فرمولبندي شده است. با استفاده از احتمال برنده شدن و محاسبه ميانگين سود استخراجگران نشان داده شده است كه هر استخراجگر با توجه به اندازه بلوك و توان استخراج ساير استخراجگران داراي يك اندازه بلوك بهينه و منحصر به فرد است. همچنين تعادل نش در رقابت بين استخراج گران محاسبه و بيان گرديده است. در تعادل نش هر استخراجگري كه قدرت پردازشي بيشتري دارد، داراي اندازه بلوك بزرگتري خواهد بود و بدون در نظر گرفتن ساير استخراجگران ميتواند اندازه بلوك خود را تعيين نمايد. همان طور كه پيش بيني ميشد اگر توان استخراجگران با يكديگر برابر باشند، آنگاه تنها تعادل براي استخراجگران، انتخاب اندازه بلوك يكسان توسط همه آنها است. همچنين اندازه بلوك انتخابي در تعادل نش از مقدار مشخص بيشتر نخواهد شد. مسئله انتخاب اندازه بلوك براي حالتي كه اندازه بلوك محدود باشد نيز مورد تحليل و بررسي قرار گرفته است. بهترين پاسخ و تعادل نش در اين حالت فرمول بندي گرديده است و نشان داده شده است كه مقدار اندازه بلوك استخراجگران تحت شرايطي بيشينه اندازه بلوك خواهد بود. همچنين نشان داده شده است كه اگر اندازه بلوك بيشينه از مقدار مشخصي بيشتر باشد آنگاه هيچ يك از استخراجگرها بيشينه اندازه بلوك را انتخاب نخواهند كرد؛ و همچنين اگر اندازه بلوك بيشينه از مقدار مشخصي كمتر باشد آنگاه همه استخراجگرها مقدار بيشينه اندازه بلوك خود را انتخاب خواهد كرد. در گام بعدي انتخاب بهينه قدرت استخراج مورد ارزيابي قرار گرفته است. با استفاده از مدل سازي بازي متقارن، تاثير عوامل مختلف بر روي قدرت استخراج مورد ارزيابي قرار گرفته است و نشان داده شده است كه انتخاب قدرت استخراج وابسته به به پاداش بلوك جديد و قدرت هش كل انتخاب شده توسط ساير استخراجگرها خواهد بود. از آنجايي كه در عمل حداكثر قدرت استخراج محدود خواهد بود، قدرت استخراج تحت هر دو حالت محدود و نامحدود بودن آن مورد ارزيابي قرار گرفت و با استفاده از تحليل رياضي بهترين پاسخ براي هر استخراجگر بدست آورده شده است و نشان داده شد كه تعادل نش در هر دو حالت به صورت يكتا وجود خواهد داشت و مقدار آن به صورت يك رابطه بسته رياضي بدست آورده شده است. در حالتي كه قدرت استخراج براي استخراجگرها نامحدود باشد، قدرت استخراج بهينه با عكس تعداد استخراجگرها رابطه خواهد داشت.
چكيده انگليسي
The security and stability of blockchain systems are fundamentally influenced by miner behavior, making their analysis under varying conditions essential. Strategic behaviors such as selfish and greedy mining pose significant challenges, particularly in proof-of-work (PoW) systems. In Bitcoin, miner incentives initially rely on both fixed block rewards and transaction fees; however, as block rewards diminish over time, transaction fees are expected to become the primary source of revenue. This shift amplifies existing challenges and introduces new ones, especially as rewards approach negligible levels. Therefore, a systematic analysis of these challenges in proof-of-work blockchains, particularly Bitcoin, can improve system efficiency and reduce potential risks. Under such conditions, determining the optimal block size and miners’ mining power allocation emerges as a critical challenge. In this study, by modeling the behavior of miners, the impact of various parameters on their choices is evaluated. In particular, with respect to block size selection, it is evident that increasing the block size provides a higher reward to the winning miner; however, network delays reduce the probability of winning as the block size increases. As a result, selecting the optimal block size that maximizes expected profit is an important issue that can influence the stability and security of the network. Additionally, in proof-of-work blockchains, increasing mining power raises the probability of a miner’s success. On the other hand, greater computational power requires significant financial investment and leads to higher operational costs. Therefore, determining the optimal level of computational power to maximize profit is a key concern for miners under different conditions, particularly when the block reward becomes negligible. In this thesis, the selection of the optimal block size and the optimal mining power is examined and analyzed under various conditions. First, an appropriate model is developed to study block size selection, and the probability of miners winning is formulated based on the relevant influencing parameters. By employing this probability and computing the expected profit of miners, it is shown that each miner possesses a unique optimal block size, given the block sizes and mining capacities of other miners. The equilibrium of the competitive interaction among miners is also derived and characterized. At the Nash equilibrium, any miner with greater computational power selects a larger block size and can determine this choice independently of other miners. As expected, when miners have identical computational power, the only equilibrium outcome is that all miners choose the same block size. Moreover, the equilibrium block size does not exceed a certain threshold. The problem of block size selection under a constrained maximum block size is also analyzed. The best-response functions and the corresponding equilibrium are formulated, showing that, under certain conditions, miners select the maximum allowable block size. It is further demonstrated that if the maximum block size exceeds a given threshold, no miner will choose it; whereas if it is below that threshold, all miners will adopt the maximum block size. In the next step, the optimal selection of mining power is evaluated. Using an asymmetric game-theoretic framework, the impact of various factors on mining power is examined, and it is shown that the choice of mining power depends on the block reward and the total hash power selected by other miners. Since, in practice, mining power is subject to upper bounds, both constrained and unconstrained cases are analyzed, and the best-response function for each miner is derived through mathematical analysis. It is shown that a unique Nash equilibrium exists in both cases, and its value is obtained in closed form.
استاد راهنما
حامد نريماني
استاد مشاور
محمدحسين منشئي
استاد داور
علي فانيان , مجتبي خليلي دليگاني , محمدعلي اخائي