[論文レビュー] Comparison of Decentralization in DPoS and PoW Blockchains

Chao Li, Balaji Palanisamy|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、シャノンエントロピーを用いて計算能力とステークの分配を定量化することで、ビットコイン（PoW）とステーム（DPoS）における分散化を比較している。結果として、トップマイナーの間ではビットコインがより分散化されている一方で、全体的な観点ではステームがより高い分散化を示しており、両システムがすべての指標において明確に優れているとは限らないことが示された。

ABSTRACT

Decentralization is a key indicator for the evaluation of public blockchains. In the past, there have been very few studies on measuring and comparing the actual level of decentralization between Proof-of-Work (PoW) blockchains and blockchains with other consensus protocols. This paper presents a new comparison study of the level of decentralization in Bitcoin and Steem, a prominent Delegated-Proof-of-Stake (DPoS) blockchain. Our study particularly focuses on analysing the power that decides the creators of blocks in the blockchain. In Bitcoin, miners with higher computational power generate more blocks. In contrast, blocks in Steem are equally generated by witnesses while witnesses are periodically elected by stakeholders with different voting power weighted by invested stake. We analyze the process of stake-weighted election of witnesses in DPoS and measure the actual stake invested by each stakeholder in Steem. We then compute the Shannon entropy of the distribution of computational power among miners in Bitcoin and the distribution of invested stake among stakeholders in Steem. Our analyses reveal that neither Bitcoin nor Steem is dominantly better than the other with respect to decentralization. Compared with Steem, Bitcoin tends to be more decentralized among top miners but less decentralized in general. Our study is designed to provide insights into the current state of the degree of decentralization in DPoS and PoW blockchains. We believe that the methodologies and findings in this paper can facilitate future studies of decentralization in other blockchain systems employing different consensus protocols.

研究の動機と目的

• プルーフ・オブ・ワーク（PoW）とデリゲートド・プルーフ・オブ・ステーク（DPoS）ブロックチェーン間の実際の分散化水準を評価・比較すること。
• PoWとDPoSの共通合意形成メカニズムにおける分散化に関する比較研究の不足を補うこと。
• ステームにおけるステークホルダー間のステーク分配を測定することで、ウォッチマンの分配にとどまらず、DPoSシステムにおける真の分散化を反映すること。
• シャノンエントロピーを用いて、異なるブロックチェーンアーキテクチャ間の分散化を定量化する指標として適用すること。
• 今後の新興ブロックチェーンプロトコルにおける分散化に関する研究を支援するための方法論的知見と実証的発見を提供すること。

提案手法

• 本研究は、BTC.com APIから得たデータを用いて、ビットコインにおけるマイナー間の計算能力分配のシャノンエントロピーを計算した。
• ステームブロックチェーンおよびインタラクティブAPIからのデータを用いて、各ステークホルダーが実際に投資したステークを測定した。
• ステームのDPoSメカニズムにおけるステーク加重選挙プロセスを分析し、投票力がウォッチマン選出にどのように変換されるかを理解した。
• シャノンエントロピーを、ビットコインの計算能力分配とステームのステーク分配の両方に適用し、分散化水準を定量化した。
• 異なるランク（例：上位10%、上位50%など）におけるエントロピー値を比較することで、集約レベルごとの分散化状況を評価した。
• この手法により、現実のステークおよびパワー分配に基づいて、PoWとDPoSブロックチェーン間の分散化を直接的かつ定量的に比較可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 計算能力とステークの分配を指標とした場合、ビットコイン（PoW）の分散化水準はステーム（DPoS）と比べてどの程度異なるか？
• RQ2 ステームのようなDPoSブロックチェーンにおけるステーク加重選挙メカニズムは、システムの実際の分散化にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 一般的にDPoSブロックチェーンは中央集権的であると想定されているが、ステーク分配に関する実証的データはその仮定を完全に裏付けているか？
• RQ4 集約レベルの選択（例：上位10%対上位50%）が、PoWおよびDPoSシステムにおける認識される分散化度にどのように影響するか？
• RQ5 シャノンエントロピーは、異なる共通合意プロトコル間の分散化を定量化するための信頼性があり、比較可能な指標として機能するか？

主な発見

• ビットコインでは、トップマイナーの間でシャノンエントロピーが高く、支配的計算能力の分野でより高い分散化が示された。
• すべてのマイナーを考慮した場合、ビットコインの計算能力分配の全体的エントロピーは、ステームのステーク分配のそれよりも低く、全体としてのステームの分散化度がより高いことを示している。
• ステームのステーク分配は、全ステークホルダーにわたって高いエントロピーを示しており、ビットコインのマイニングプールの集中化と比較して、より均等な制御メカニズムであると考えられる。
• 本研究では、ビットコインもステームも、すべての指標において明確に優れているとは限らないことが判明した—ビットコインは主要参加者間で優位であり、ステームは全体的な分配において優位である。
• DPoSがPoWよりも inherently 分散化が低いと仮定する考えは、実証的根拠によって覆され、広く分散されたステークに基づくガバナンスが、高い分散化を達成できることを示している。
• 本研究で提案された、現実のステークおよびパワー分配にシャノンエントロピーを適用する手法は、多様なブロックチェーンシステムにおける分散化評価のための堅牢で比較可能なフレームワークを提供する。