[論文レビュー] Analysis of Polkadot: Architecture, Internals, and Contradictions

Hanaa Abbas, Maurantonio Caprolu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ポリゴンのアーキテクチャ、プロトコル、経済モデルに対する最初の体系的分析を提示し、分散化とスケーラビリティを脅かす設計上の深刻な矛盾を明らかにしている。2020年6月から2022年4月にかけてのオンチェーンのバリデーター・データの実証的分析を通じて、高いステーキング要件、独占的バリデーター行動、ガバナンスの不均衡により、中央集権化リスクが増大していることが判明したが、ポリゴンはNPoSとシャーディングを用いた参加の民主化を主張している。

ABSTRACT

Polkadot is a network protocol launched in 2020 with the ambition of unlocking the full potential of blockchain technologies. Its novel multi-chain protocol allows arbitrary data to be transferred across heterogeneous blockchains, enabling the implementation of a wide range of novel use cases. The Polkadot architecture is based on the principles of sharding, which promises to solve scalability and interoperability shortcomings that encumber many existing blockchain-based systems. Lured by these impressive features, investors immediately appreciated the Polkadot project, which is now firmly ranked among the top 10 cryptocurrencies by capitalization (around 20 Billions USD). However, Polkadot has not received the same level of attention from academia that other proposals in the crypto domain have received so far, like Bitcoin, Ethereum, and Algorand, to cite a few. Polkadot architecture is described and discussed only in the grey literature, and very little is known about its internals. In this paper, we provide the first systematic study on the Polkadot environment, detailing its protocols, governance, and economic model. Then, we identify several limitations -- supported by an empirical analysis of its ledger -- that could severely affect the scalability and overall security of the network. Finally, based on our analysis, we provide future directions to inspire researchers to investigate further the Polkadot ecosystem and its pitfalls in terms of performance, security, and network aspects.

研究の動機と目的

• ポリゴンのアーキテクチャ、プロトコル、経済モデルに対する最初の包括的かつ体系的な研究を提供すること。
• 分散化、スケーラビリティ、セキュリティの根幹的約束を損なう可能性がある、ポリゴン設計上の矛盾を特定し分析すること。
• 理論的な懸念を、ポリゴンブロックチェーンからの実証的データ（バリデーター行動とステーキングダイナミクスに焦点を当てて）で検証すること。
• NPoS共有可能メカニズムとガバナンスモデルにおける参加制限をもたらすシステム的制限を浮き彫りにすること。
• マルチチェーンブロックチェーンエコシステムにおけるパフォーマンス、セキュリティ、分散化に関する今後の研究を刺激すること。

提案手法

• シャーディングされたマルチチェーンアーキテクチャ、すなわちリレーチェーン、パラチェーン、および共有可能メカニズムを含む、ポリゴンの詳細なアーキテクチャ的およびプロトコルレベルのレビューを実施すること。
• バリデーターとノミネーターのインcentiveを焦点にした、NPoS（指名型プルーフ・オブ・ステーク）システムを含む、ポリゴンの経済モデルの分析。
• 2020年6月から2022年4月にかけての、バリデーター選挙およびステーキング行動に関するオンチェーンデータの収集と処理。
• 中央集権化の傾向を検出するために、バリデーターの手数料率、自己ステーキング水準、およびノミネーションパターンの実証的分析。
• ガバナンスメカニズムとステーク集中度の評価を通じて、民主的参加とシステム的リスクを分析。
• ポリゴンの設計的主張と実際のオンチェーン行動の間の乖離や矛盾を特定するために、両者を比較分析。

Figure 1: Polkadot Data Structures and Participants

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポリゴンのNPoSメカニズムは、広範な参加を可能にしているのか、それとも富裕なバリデーターによる中央集権化を引き起こしているのか。
• RQ2 バリデーターの手数料率と自己ステーキング水準は時間経過とともにどのように変化しているのか。これによりインcentiveの整合性とコントロールの状況がどのような示唆をもたらすか。
• RQ3 現在のバリデーターおよびノミネーター数の上限が、ポリゴンネットワークにどのようなシステム的リスクをもたらしているか。
• RQ4 ポリゴンのステーク集中度とガバナンス構造は、イーサリアムやアルゴランドなどの他のPoSブロックチェーンと比較してどう異なるか。
• RQ5 ポリゴンの技術的制約が、広報されているスケーラビリティおよび相互運用性の特徴をどの程度損なっているか。

主な発見

• 100%の手数料を課しているアクティブなバリデーターの割合は60%を超え、時間経過とともに増加しており、これはバリデーターが全報酬を自らが保有する傾向が強まっていることを示している。
• 多くの高手数料バリデーターは、最小限の自己ステーキングで運用されており、これらが背後に同じエージェンシーによって運営されている可能性が高く、共謀や責任の低下に関する懸念を呈している。
• バリデーターになるための高いステーキング要件（約3200万米ドル）は、一般ユーザーの参加を実質的に排除し、少数の富裕なエージェンシーによる権力集中をもたらしている。
• NPoSによる分散化の主張にもかかわらず、現在のシステムは「富は富を呼ぶ」ダイナミクスを生み出し、大規模ステーカーが報酬とガバナンスの影響力を支配している。
• ネットワークのスケーラビリティは、バリデーターおよびノミネーターの数にハードコードされた上限により制限されており、シャーディングアーキテクチャがあるにもかかわらず、成長を妨げる可能性がある。
• 観察された行動は、ポリゴンの民主的参加を求める公的ビジョンと矛盾しており、中央集権化および操作のリスクが高まるシステムであることが明らかになった。

Figure 2: Stages of Parachain Consensus