عنوان مقاله:
امنیت و ارزیابی عملکرد پروتکل گره اصلی براساس بلاک چین اعتبار در شبکه بیت کوین
Security and performance evaluation of master node protocol based reputation blockchain in the bitcoin network
سال انتشار: 2022
رشته: اقتصاد
گرایش: اقتصاد پولی
دانلود رایگان این مقاله:
مشاهده سایر مقالات جدید:
2. Related work
Previous works that are proposed with the aim of mitigating the information propagation delay in the Bitcoin network will be critically discussed in this section under three categories: minimise verification, pipelining information propagation, and connectivity increase. Moreover, existing methods to tackle double spending attacks in the Bitcoin network will be highlighted in this section. 2.1. Minimise verification There have been several investigations that aim to reduce the information propagation delay throughout minimising the time of information (transactions/blocks) verification. In the Bitcoin network, when a node receives a transaction/block, it verifies whether it is valid or not. If the transaction/block is valid, the node forwards it to its neighbours. Otherwise, invalid transactions/blocks are discarded. The idea of reducing the information verification time, in particular, block verification time has been adopted in Ref. [3] where minimise verification protocol has been proposed as a way to speed up information propagation. The protocol has stated some changes in the behaviour of Bitcoin nodes, which make every node fulfills only the first part of the block verification process. Specifically, when a node receives a block, it checks the proof of work difficulty and forwards the block to its neighbours, rather than suspends the relay until the validation of all transactions in the block is completed. This would minimise the block propagation delay in the Bitcoin network. However, the change in the nodes’ behaviour mentioned above is more likely to bring a security risk as discarding transactions validation would give a great chance to an attacker to flood the network with invalid transactions which, on the other hand, results in a distributed denial of service attack. In addition, the change in the nodes’ behaviour does not take into account the transaction propagation delay which means that transactions would be propagated following the original information broadcasting scenario. As a result, the change does not have a large impact on the overall information propagation delay. Another theory has been proposed in Ref. [12] which focuses on the blockchain as a main factor in reducing the transaction verification time. As transactions are validated against the blockchain that contains a history of all transactions, and it still grows in size with each new transaction, it has been claimed that reducing transactions history at each node plays an important role towards achieving an optimal transaction verification time. Precisely, a new algorithm, known as BASELINE, has been proposed in Ref. [12], in which the blockchain is divided at each node in the Bitcoin network into several parts n. These parts are distributed at each node on several local computers. As all parts represent the same user, public/private keys are the same for all parts. On the other hand, each part has a different portion of the public ledger. Evaluation results in Ref. [12] have shown that the verification time could be enhanced by 71.42% if the blockchain is divided at a given node on five computers. This means that an improvement in the information propagation delay could be achieved when the number of divisions at each node is greater. However, the proposed BASELINE algorithm is less likely to be adopted as a realistic solution due to the expensive requirements where every node in the network should maintain several local computers. In the same context where some research focused on speeding up information propagation in conjunction with minimising the blockchain size [6], proposed a new approach that improves the scalability of the blockchain by performing more security for off-chain blocks through miners. More precisely, miners would have the responsibility to keep track and protect the soft forks that are linked to the main blockchain. In principle, this approach considers miners as a trusted third-party and gives them more control over the Bitcoin network. Therefore, this approach stands against the decentralisation concept of Bitcoin, resulting in minimising security awareness. Furthermore, these soft forks are subject to the 51% attack due to the less hash rate.
3. Problem statement and summary of contributions
As we highlighted above, the information propagation delay is a serious problem facing the Bitcoin network nowadays and several methods have been proposed in order to fix this issue. However, previous attempts of updating the network topology have not taken into account any clustering approach. Instead, these attempts have considered either increasing the network connectivity by maintaining a mesh network topology or relying on several coordinator nodes to support proximity of connectivity in the network without paying attention to the security risks. Furthermore, several sharding approaches were introduced to scale up the Bitcoin blockchain without focusing on the propagation delay issue caused by the share distance between Bitcoin network nodes. We believe that there is plenty of room for improvement in terms of speeding up information propagation in the Bitcoin network. In this respect, we aim to evaluate the impact of a novel network clustering approach based reputation scheme on improving the propagation delay in the Bitcoin network. The main aim of this research is to determine ‘Can clustering-based master node in the Bitcoin network improve the information propagation delay without compromising security?’. With the above context in mind, we can summarise the main contributions of this paper as follows: MNBC protocol: In this paper, we propose a new model that integrates a proximity based clustering approach with a newly developed reputation score based blockchain. The MNBC protocol relies on several nodes, known as master nodes, to achieve fully connected clusters based on the physical Internet proximity and random peers selection. To increase the security level, master nodes are selected based on a reputation score which is calculated by the reputation scheme proposed in this paper. The main aim of the proposed model is to mitigate the propagation delay problem in the Bitcoin network without compromising security. Performance Evaluation: The other contribution of this paper is to evaluate the performance and effectiveness of the proposed model against the average latencies of the information delivery between peers in the Bitcoin network without compromising security. Security Evaluation: As undertaking clustering in the Bitcoin network is different from clustering within other classes of the P2P network due to the strict requirements of security, this research examines whether the proposed clustering protocol can be done safely without increasing the likelihood of certain classes of attacks, in particular, partitioning attacks and Observe-Act attack. Simulations: To enable the evaluation of the proposed clustering protocols, several simulations were developed using the simulation model that was developed . To parameterise the simulation model, large-scale measurements of the real Bitcoin network parameters that have a direct impact on client behaviour and information propagation in the real Bitcoin network, are performed. Furthermore, measurements of the transaction propagation delay in the Bitcoin network are presented in this paper. These measurements are collected using a methodology by which the transaction propagation delays are accurately measured. These measurements offered an opportunity to validate the developed simulator against the real Bitcoin network.
(دقت کنید که این بخش از متن، با استفاده از گوگل ترنسلیت ترجمه شده و توسط مترجمین سایت ای ترجمه، ترجمه نشده است و صرفا جهت آشنایی شما با متن میباشد.)
2. کارهای مرتبط
کارهای قبلی که با هدف کاهش تاخیر انتشار اطلاعات در شبکه بیت‌کوین پیشنهاد شده‌اند، در این بخش به طور انتقادی در سه دسته مورد بحث قرار می‌گیرند: به حداقل رساندن تأیید، انتشار اطلاعات خط لوله، و افزایش اتصال. علاوه بر این، روش‌های موجود برای مقابله با حملات مضاعف هزینه در شبکه بیت‌کوین در این بخش برجسته خواهد شد. 2.1. به حداقل رساندن راستی‌آزمایی تحقیقات متعددی انجام شده است که با هدف کاهش تأخیر انتشار اطلاعات در طول به حداقل رساندن زمان تأیید اطلاعات (معاملات/بلاک‌ها) انجام شده است. در شبکه بیت کوین، زمانی که یک گره تراکنش/بلاک را دریافت می کند، معتبر بودن یا نبودن آن را تایید می کند. اگر تراکنش/بلوک معتبر باشد، گره آن را به همسایگان خود ارسال می کند. در غیر این صورت، تراکنش ها/بلاک های نامعتبر کنار گذاشته می شوند. ایده کاهش زمان تأیید اطلاعات، به ویژه زمان تأیید بلوک در Ref. [3] که در آن پروتکل تایید حداقلی به عنوان راهی برای سرعت بخشیدن به انتشار اطلاعات پیشنهاد شده است. این پروتکل تغییراتی را در رفتار گره های بیت کوین بیان کرده است که باعث می شود هر گره تنها قسمت اول فرآیند تأیید بلوک را انجام دهد. به طور خاص، هنگامی که یک گره یک بلوک را دریافت می کند، به جای اینکه رله را تا زمانی که اعتبارسنجی تمام تراکنش ها در بلوک کامل شود، به حالت تعلیق درآورد، اثبات سختی کار را بررسی می کند و بلوک را به همسایگان خود ارسال می کند. این امر تاخیر انتشار بلاک در شبکه بیت کوین را به حداقل می رساند. با این حال، تغییر در رفتار گره‌ها که در بالا ذکر شد، به احتمال زیاد خطر امنیتی ایجاد می‌کند، زیرا دور انداختن اعتبارسنجی تراکنش‌ها، فرصت زیادی به مهاجم می‌دهد تا شبکه را با تراکنش‌های نامعتبر پر کند که از سوی دیگر، منجر به انکار توزیع شده می‌شود. حمله سرویس علاوه بر این، تغییر در رفتار گره‌ها تاخیر انتشار تراکنش را در نظر نمی‌گیرد، به این معنی که تراکنش‌ها بر اساس سناریوی اصلی پخش اطلاعات منتشر می‌شوند. در نتیجه، این تغییر تأثیر زیادی بر تأخیر انتشار کلی اطلاعات ندارد. نظریه دیگری در Ref. [12] که بر روی بلاک چین به عنوان یک عامل اصلی در کاهش زمان تأیید تراکنش تمرکز دارد. از آنجایی که تراکنش‌ها در برابر بلاکچینی که تاریخچه همه تراکنش‌ها را در بر می‌گیرد اعتبار می‌یابد، و همچنان با هر تراکنش جدید حجم آن افزایش می‌یابد، ادعا شده است که کاهش تاریخچه تراکنش‌ها در هر گره نقش مهمی در دستیابی به زمان تایید تراکنش بهینه دارد. به طور دقیق، یک الگوریتم جدید، معروف به BASELINE، در Ref ارائه شده است. [12]، که در آن زنجیره بلوکی در هر گره در شبکه بیت کوین به چندین قسمت n تقسیم می شود. این قطعات در هر گره در چندین کامپیوتر محلی توزیع می شوند. از آنجایی که همه قسمت ها یک کاربر را نشان می دهند، کلیدهای عمومی/خصوصی برای همه قسمت ها یکسان هستند. از سوی دیگر، هر بخش دارای بخش متفاوتی از دفتر کل است. نتایج ارزیابی در Ref. [12] نشان داده اند که اگر بلاک چین در یک گره معین در پنج رایانه تقسیم شود، زمان تأیید می تواند 71.42٪ افزایش یابد. این بدان معناست که زمانی که تعداد تقسیمات در هر گره بیشتر باشد، می‌توان به بهبود تاخیر انتشار اطلاعات دست یافت. با این حال، الگوریتم BASELINE پیشنهادی به دلیل الزامات گران قیمت که در آن هر گره در شبکه باید چندین کامپیوتر محلی را حفظ کند، احتمال کمتری دارد که به عنوان یک راه حل واقع بینانه مورد استفاده قرار گیرد. در همان زمینه که برخی از تحقیقات بر سرعت بخشیدن به انتشار اطلاعات در ارتباط با به حداقل رساندن اندازه بلاک چین تمرکز داشتند [6]، رویکرد جدیدی را پیشنهاد کردند که مقیاس پذیری بلاک چین را با انجام امنیت بیشتر برای بلوک های خارج از زنجیره از طریق ماینرها بهبود می بخشد. به‌طور دقیق‌تر، ماینرها مسئولیت پیگیری و محافظت از سافت فورک‌هایی را که به بلاک چین اصلی متصل هستند، خواهند داشت. در اصل، این رویکرد ماینرها را به عنوان یک شخص ثالث قابل اعتماد در نظر می گیرد و به آنها کنترل بیشتری بر شبکه بیت کوین می دهد. بنابراین، این رویکرد در مقابل مفهوم تمرکززدایی بیت کوین قرار می گیرد و در نتیجه آگاهی امنیتی را به حداقل می رساند. علاوه بر این، این سافت فورک ها به دلیل نرخ هش کمتر در معرض حمله 51 درصدی قرار دارند.
3. بیان مشکل و خلاصه مشارکت
همانطور که در بالا اشاره کردیم، تأخیر انتشار اطلاعات امروزه یک مشکل جدی پیش روی شبکه بیت کوین است و روش های مختلفی برای رفع این مشکل پیشنهاد شده است. با این حال، تلاش های قبلی برای به روز رسانی توپولوژی شبکه هیچ رویکرد خوشه بندی را در نظر نگرفته است. در عوض، این تلاش‌ها یا افزایش اتصال شبکه را با حفظ توپولوژی شبکه مش یا تکیه بر چندین گره هماهنگ‌کننده برای پشتیبانی از نزدیکی اتصال در شبکه بدون توجه به خطرات امنیتی در نظر گرفته‌اند. علاوه بر این، چندین رویکرد به اشتراک گذاری برای افزایش مقیاس بلاک چین بیت کوین بدون تمرکز بر مشکل تاخیر انتشار معرفی شد. توسط فاصله اشتراک بین گره های شبکه بیت کوین مشخص می شود. ما معتقدیم که فضای زیادی برای بهبود از نظر سرعت بخشیدن به انتشار اطلاعات در شبکه بیت کوین وجود دارد. در این راستا، هدف ما ارزیابی تأثیر یک طرح شهرت مبتنی بر رویکرد خوشه‌بندی شبکه جدید بر بهبود تأخیر انتشار در شبکه بیت‌کوین است. هدف اصلی این تحقیق تعیین «آیا گره اصلی مبتنی بر خوشه‌بندی در شبکه بیت‌کوین می‌تواند تاخیر انتشار اطلاعات را بدون به خطر انداختن امنیت بهبود بخشد؟» است. با در نظر گرفتن زمینه فوق، می‌توانیم مشارکت‌های اصلی این مقاله را به شرح زیر خلاصه کنیم: پروتکل MNBC: در این مقاله، ما مدل جدیدی را پیشنهاد می‌کنیم که رویکرد خوشه‌بندی مبتنی بر مجاورت را با یک بلاک چین مبتنی بر امتیاز شهرت جدید توسعه‌یافته ادغام می‌کند. پروتکل MNBC برای دستیابی به خوشه های کاملاً متصل بر اساس نزدیکی فیزیکی اینترنت و انتخاب تصادفی همتایان، به چندین گره، معروف به گره های اصلی، متکی است. برای افزایش سطح امنیت، گره های اصلی بر اساس امتیاز شهرت انتخاب می شوند که توسط طرح شهرت پیشنهاد شده در این مقاله محاسبه می شود. هدف اصلی مدل پیشنهادی کاهش مشکل تاخیر انتشار در شبکه بیت کوین بدون به خطر انداختن امنیت است. ارزیابی عملکرد: سهم دیگر این مقاله ارزیابی عملکرد و اثربخشی مدل پیشنهادی در برابر متوسط تأخیرهای تحویل اطلاعات بین همتایان در شبکه بیت‌کوین بدون به خطر انداختن امنیت است. ارزیابی امنیتی: از آنجایی که انجام خوشه بندی در شبکه بیت کوین به دلیل الزامات امنیتی سخت با خوشه بندی در سایر کلاس های شبکه P2P متفاوت است، این تحقیق بررسی می کند که آیا پروتکل خوشه بندی پیشنهادی را می توان بدون افزایش احتمال گروه های خاصی از حملات به صورت ایمن انجام داد یا خیر. به ویژه حملات پارتیشن بندی و حمله Observe-Act. شبیه‌سازی: برای فعال کردن ارزیابی پروتکل‌های خوشه‌بندی پیشنهادی، چندین شبیه‌سازی با استفاده از مدل شبیه‌سازی توسعه‌یافته توسعه داده شد. برای پارامترسازی مدل شبیه‌سازی، اندازه‌گیری‌های مقیاس بزرگ پارامترهای شبکه بیت‌کوین واقعی که تأثیر مستقیمی بر رفتار مشتری و انتشار اطلاعات در شبکه واقعی بیت‌کوین دارند، انجام می‌شود. علاوه بر این، اندازه گیری تاخیر انتشار تراکنش در شبکه بیت کوین در این مقاله ارائه شده است. این اندازه‌گیری‌ها با استفاده از روشی جمع‌آوری می‌شوند که توسط آن تأخیرهای انتشار تراکنش به دقت اندازه‌گیری می‌شود. این اندازه‌گیری‌ها فرصتی برای اعتبارسنجی شبیه‌ساز توسعه‌یافته در برابر شبکه واقعی بیت‌کوین فراهم می‌کند.
