Network Impact on the Creation of Temporary Forks in Bitcoin

Abstract

Bitcoin ble opprettet i 2009, og er en digital valuta som er avhengig av frivillige noder i stedet for sentrale myndigheter, sammenlignet med tradisjonelle valutaer. Temorary forks er et kjent problem med blokkjeder som bruker \gls{pow}. Når to miners finner en blokk i samme høyde som refererer til den samme foregående blokken, vil dette føre til en fork. I tillegg kan en fork oppstå på grunn av forskjellige årsaker som latency, block propagation eller blokkstørrelse. Temporary forks forårsaker inkonsekvenser i nettverket og øker belastningen på nettverket. Derfor bør det unngås. For denne oppgaven har vi laget et testnett for Bitcoin Core for å kjøre eksperimentene våre. Ved å bruke testnettet analyserer vi hvordan latency og topologi vil påvirke antall forks som opprettes i Bitcoin-nettverket. Vi samler deretter blokkene som har laget forks og analyserer hvordan vente/bekreftelsestiden deres har blitt påvirket. Denne oppgaven skiller seg fra annet arbeid ved at vi har laget vårt eget testnett testbed hvor vi kan kontrollere forsinkelsen og topologien og se hvordan dette påvirker opprettelsen av temporary forks. Vi kjører ni eksperimenter med forskjellige konfigurasjoner, som hver varer i 4-6 dager. Temporary forks er vanskelige å observere, og derfor kjører hvert eksperiment i flere dager for å kunne se forks oppstå. På grunn av tidsrammen som er gitt for denne masteroppgaven, kan vi ikke replikere eksperimenter flere ganger for å få det konfidensintervallet vi ønsker. Analysen viser at forsinkelsen og topologien påvirker antall forks, og noen av transaksjonene i disse blokkene har forsinket bekreftelsestid.

Bitcoin was created in 2009, and it is a digital currency which relies on volunteer nodes rather than central authorities, compared to traditional currencies. Temporary forks are a known issue with blockchains that uses \gls{pow}. When two miners find a block at the same height referencing the same previous block, a fork is created. Additionally, a fork can occur due to different reasons such as latency, block propagation or block size. Temporary forks cause inconsistencies and increase the strain on the network. Therefore it should be avoided. For this thesis, we have created a Bitcoin Core testbed to run our experiments. Using the testbed, we analyze how latency and \gls{p2p} topology affects the number of forks created in the Bitcoin network. We then gather the blocks that have created forks and analyze how their waiting/confirmation time has been affected. This thesis differs from other work in that we have created our testbed where we can control the delay and topology and see how this affects the creation of temporary forks. We run nine experiments with different configurations, each lasting for 4-6 days. Temporary forks are hard to observe, and therefore each experiment runs for multiple days to be able to see forks occurring. Due to the timeframe given for this master thesis, we cannot replicate experiments multiple times to get the confidence interval we would like. The analysis shows that the delay and topology affect the number of forks, and some of the transactions in these blocks have delayed confirmation time.