A new approach for bitcoin pool-hopping detection

This thesis reports the results of an empirical analysis of pool-hopping behavior in the Bitcoin network, precisely for five mining pools with the highest hash rates during a three-month period. Mining pools emerged as key players in ensuring that the Bitcoin system remains secure, viable, and stable. Individual miners join mining pools to benefit from more predictable income. Many questions are open about the functioning of the pool-hopping phenomenon; the perception of the phenomenon itself has changed over time, abandoning its common opportunistic connotation. Indeed, following the implementation of new reward methods and miner retention policies, hoppers are not earning more at the expense of their peers. Still it can be defined a strategic behavior influenced by the attractiveness of the pool, but with the sole purpose of receiving rewards in the most efficient way as possible. As a result, it now appears tacitly accepted and commonly spread among those who mine. The only actor for whom this phenomenon remains inconvenient are the mining pools themselves, which undergo frequent changes in hash rate. In this thesis, we propose a heuristic strategy to analyze the dynamics of the system that consists of three steps. The first step aims to extract the payout stream from the mining pools and assign the author pool of each reward based on a coin ownership methodology. In the second step, we uniquely identify users within the system through the use and adaptation of known heuristics. The third step focuses on examining the realistic dynamics of miners' remuneration, which goes beyond reward methods that pay at the conclusion of each single round. To this end, a characterization based on the epochs of work performed by miners over time is introduced. Ultimately, the evaluation leads us to detect the extent to which miners move between pools and apply simultaneous work. In particular, our results aim to show that today's behavior is harmless, even if driven by the strategy of those who want to gain the most out of mining.

Abbiamo condotto un'analisi empirica del comportamento di pool-hopping nella rete Bitcoin, in cinque mining pool con hash rate più elevati durante un periodo di tre mesi. I mining pool sono emersi come attori chiave nel garantire che il sistema Bitcoin rimanga sicuro, vitale e stabile. I miners si uniscono ai mining pool per beneficiare di un reddito più prevedibile. Molte domande sul fenomeno del pool-hopping sono aperte, in particolare su come può essere definito e caratterizzato oggi, dopo l'introduzione di nuove politiche di ricompensa. Il fenomeno stesso è cambiato nel tempo, abbandonando la connotazione di comportamento opportunistico. Infatti, in seguito all'implementazione di nuovi metodi di ricompensa e di politiche di ritenzione dei miners, essi non guadagnano di più a spese dei loro pari. Può essere ancora definito come un comportamento strategico influenzato dall'attrattiva del pool, ma con l'unico scopo di ricevere ricompense più efficientemente. Di conseguenza, ora appare tacitamente accettato e comunemente diffuso tra coloro che partecipano al processo di validazione. L'unico attore per il quale questo fenomeno rimane non desiderabile sono i mining pool stessi, che subiscono frequenti variazioni di hash rate. In questo lavoro, proponiamo un insieme procedure per analizzare il fenomeno di pool-hopping all’interno della dinamica di mining in Bitcoin. Il primo passo mira ad estrarre il flusso di payout dai mining pool e ad assegnare il pool autore di ogni ricompensa sulla base di una metodologia, da noi proposta, di attribuzione proprietà delle monete. Nel secondo, identifichiamo unicamente gli utenti all'interno del sistema attraverso l'uso e l'adattamento di euristiche note. Il terzo passo, si concentra sull'esame della dinamica realistica alla base della remunerazione dei miners, che va oltre i metodi di ricompensa che remunerano alla fine di ogni singolo round. A tal fine, viene introdotta una caratterizzazione basata sulle epoche di lavoro eseguite dai miners nel tempo. In fine, l'analisi ci porta a rilevare la misura in cui i miners si spostano tra i pool e svolgono un lavoro simultaneo. In particolare, i nostri risultati mirano a dimostrare che il comportamento odierno è innocuo, anche se guidato dalla strategia di chi vuole trarre il massimo dall'attività di mining.