A game theoretical analysis of bitcoin users

Bitcoin is an online protocol that allows users to exchange money in the form of its homonymous crypto-currency. Bitcoin stands on a technology, called blockchain, that allows every user to print money and to agree on the validity of the transactions. Therefore there is no central authority; the Bitcoin system stands on the mutual control of users. The aim of this thesis is to map and analyse all the possible behaviours of users, in order to predict the evolution of the system and identify its flaws. Game theoretical models are deployed to perform these analyses. In the Bitcoin network users can be split in two categories. Miners are those in charge of issuing the currency, by using their computational power. They cooperate in order to reduce the variability of remuneration over time. Indeed, they form pools and put together their computational power to gain a common reward. The question is how to split this reward among miners. A cooperative game is introduced in order to limit the set of rewarding mechanisms. Then, with a non-cooperative model these mechanisms are analysed with respect to their properties and their stability in case of malicious behaviours by miners. The second category of Bitcoin users is formed by those who use the network just to make transactions in a peer-to-peer fashion. Their interest is to complete transactions in the fastest and cheapest way. Bitcoin alone does not provide the scalability to allow everyone to make instant and cheap transactions. Lightning Network is a second layer protocol, built on top of Bitcoin, that allows users to solve these issues. As of today, the safety and the stability of the Lightning Network have not been proved yet. Thus a brand new game theoretical model is introduced to map all the possible behaviours of the users and identify the expected outcomes. The result is both the identification of the possible flaws of Lightning Network and the definition of a standard method that can be also adopted for the analysis of other protocols.

Bitcoin è un protocollo online che permette agli utenti di scambiare denaro sotto forma di criptovalute. Bitcoin si basa su una tecnologia, chiamata blockchain, che permette a ogni utente di emettere moneta e di accordarsi sulla validità delle transazioni. Non esiste quindi un'autorità centrale; il sistema Bitcoin si regge sulla base del controllo reciproco tra gli utenti. L'obiettivo di questa tesi è di mappare e analizzare tutti i possibili comportamenti degli utenti, al fine di formulare previsioni sull'andamento del sistema e di identificare i suoi punti deboli. Per realizzare questa analisi sono utilizzati alcuni modelli di teoria dei giochi. Si possono dividere gli utenti della rete Bitcoin in due categorie. I miner si occupano di emettere moneta attraverso il loro potere computazionale. Per ridurre la variabilità della remunerazione, i miner cooperano formando dei pool in cui mettono in comune il loro potere computazionale per ottenere una ricompensa comune. La questione è come suddividere tale ricompensa tra i miner del pool. L'utilizzo di un gioco cooperativo ci permette di delimitare l'insieme dei possibili meccanismi di suddivisione. Successivamente, con un modello di gioco non cooperativo questi meccanismi sono analizzati e confrontati in base alle loro proprietà e alla loro stabilità in caso di comportamento malevolo dei miner. La seconda categoria di utenti è formata da coloro che utilizzano la rete esclusivamente per effettuare transazioni di tipo peer-to-peer. Il loro interesse è di concludere una transazione nel minor tempo possibile ed a basso costo. Il protocollo Bitcoin da solo non dispone della scalabilità sufficiente per permettere a tutti gli utenti di effettuare le transazioni con questa efficienza. Lightning Network è un protocollo di secondo livello, costruito cioè sulla base di Bitcoin, che permette agli utenti di superare questi limiti imposti da Bitcoin. Sebbene sia già ampiamente utilizzato, la sicurezza e la stabilità della rete Lightning non sono ancora state dimostrate. Pertanto un nuovo modello di teoria dei giochi è definito al fine di mappare il comportamento degli utenti e identificare i possibili scenari. Il risultato è da una parte l'identificazione di alcuni punti deboli della rete Lightning e dall'altra la definizione di un nuovo metodo che può esser adottato come standard per l'analisi di altri protocolli.