[論文レビュー] Ethereum Proof-of-Stake Consensus Layer: Participation and Decentralization

Dominic Grandjean, Lioba Heimbach+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2023

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、'マージ'後のイーサリアムのプルーフ・オブ・ステーク（PoS）コンSENSUS層における縦断的測定調査を提示し、バリデーターの参加率と分散性を分析している。参加率はほぼ完璧（98％以上）を維持しているが、クライアントのバグやアップグレードに起因する低下も見られ、特にリキッドステーキングサービス（例：Lido）を通じたステーキングパワーの集中が顕著で、MEVの集中とネットワーク制御のリスクが生じる可能性があることから、セキュリティ上の懸念が提起されている。

ABSTRACT

In September 2022, Ethereum transitioned from Proof-of-Work (PoW) to Proof-of-Stake (PoS) during "the merge" - making it the largest PoS cryptocurrency in terms of market capitalization. With this work, we present a comprehensive measurement study of the current state of the Ethereum PoS consensus layer on the beacon chain. We perform a longitudinal study of the history of the beacon chain. Our work finds that all dips in network participation are caused by network upgrades, issues with major consensus clients, or issues with service operators controlling a large number of validators. Further, our longitudinal staking power decentralization analysis reveals that Ethereum PoS fairs similarly to its PoW counterpart in terms of decentralization and exhibits the immense impact of (liquid) staking services on staking power decentralization. Finally, we highlight the heightened security concerns in Ethereum PoS caused by high degrees of centralization.

研究の動機と目的

• マージ以降のイーサリアムPoSコンセンサス層におけるバリデーターの縦断的参加率を測定すること。
• イーサリアムPoSにおけるステーキングパワーの分散性を、セルフステーカーとステーキングサービス運用者とで区別して評価すること。
• 特にMEV抽出とネットワークのレジリエンスに関する観点から、集中化のセキュリティ的影響を調査すること。
• ネットワークアップグレード、クライアントバグ、大規模ステーキング運用者の影響がコンセンサスの安定性と参加率に与える影響を評価すること。

提案手法

• 2022年9月以降のビーコンチェーンデータを用いて、スロットおよびエポックごとのバリデーター参加率を追跡する縦断的分析を実施した。
• オンチェーンのビーコンチェーンデータを用い、正常に提案されたブロック数および受信したアタステーション数を合計で期待される数で割った比率として、バリデーター参加率を定義した。
• 共通のオペレーターキーまたはリキッドステーキングプールへの所属関係に基づいてバリデーターをエントティにクラスタリングし、ステーキングパワーの集中度を評価した。
• 分散性の下限を評価するための楽観的（オペレーター単位のクラスタリング）および悲観的（プール単位のクラスタリング）な分析を実施し、分散性の範囲を特定した。
• ネットワークアップグレード、クライアントリリースサイクル、主要コンセンサスクライアント（例：Prysm、Teku）における報告済みバグなどの既知の出来事と参加率の低下を相関させた。
• 大規模なステーキングエントティがMEV抽出の可能性が高くなることと結びつけ、特にマルチブロックMEVを含むMEVの集中が生じるリスクを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イーサリアムPoSコンセンサス層におけるバリデーター参加率の縦断的傾向は何か？ また、ピーク参加率からの逸脱を引き起こす要因は何か？
• RQ2 PoWに比べて、イーサリアムPoSにおけるステーキングパワーの分散性はどの程度改善されたか？
• RQ3 Lidoのようなリキッドステーキングプロバイダーにおけるステーキングパワーの集中は、コンセンサス層全体の分散性にどのように影響するか？
• RQ4 高水準のステーキングパワー集中が、特にMEV抽出とネットワーク制御リスクに関して、どのようなセキュリティ的影響を及ぼすか？

主な発見

• イーサリアムPoSにおけるバリデーター参加率は極めて高く、平均して99.00％のブロックが正常に提案され、99.53％のアタステーションが受信されている。
• 参加率の低下は、常にネットワークアップグレード、クライアント固有のバグ（例：PrysmやTekuにおけるもの）、または大規模ステーキング運用者の運用上の問題と関連している。
• PoWからPoSへの移行にもかかわらず、ステーキングパワーの分散性は依然として低い状態にあり、悲観的視点ではネットワークがたった8つの等価なバリデーターから構成されたシステムに似ていると評価できる。
• Lidoは単独で約1/3のステーキングパワーを占めており、それが損傷したり不正に振る舞ったりした場合、ネットワークの停止リスクを引き起こすというシステム的リスクを有している。
• 大規模ステーキングサービスは、より高い参加率と高いレジリエンスを示しており、これによりMEVの抽出、特にマルチブロックMEVの機会をより多く獲得できる。
• MEVによる報酬の増加と大規模エントティの運用コストの低さが組み合わさることで、セルフステーキングを抑制する自己強化のサイクルが生じ、集中化がさらに進行している。