[論文レビュー] PoW, PoS, & Hybrid protocols: A Matter of Complexity?

Renato P. dos Santos, Melanie Swan|arXiv (Cornell University)|May 13, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ビットコインの複雑性解析を拡張し、情報理論およびCrutchfieldの統計的複雑性測度を用いて、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）、ハイブリッドブロックチェーンプロトコルを評価する。これらのプロトコルは、構造的複雑性の度合いに差を示しており、金融システムにおけるシステミックな安定性やカオス的挙動のリスクに影響を与えることが判明した。

ABSTRACT

In a previous paper, it was discussed whether Bitcoin and/or its blockchain could be considered a complex system and, if so, whether a chaotic one, a positive response raising concerns about the likelihood of Bitcoin/blockchain entering a chaotic regime, with catastrophic consequences for financial systems based on it. This paper intends to simplify and extend that analysis to other PoW, PoS, and hybrid protocol-based cryptocurrencies. As before, this study was carried out with the help of Information Theory of Complex Systems, in general, and Crutchfield's Statistical Complexity measure, in particular. This paper is a work-in-progress. We intend to uncover some other measures that capture the qualitative notion of complexity of systems that can be applied to these cryptocurrencies to compare with the results here obtained.

研究の動機と目的

• PoW、PoS、ハイブリッドブロックチェーンプロトコルが複雑系としてモデル化可能かどうかを評価すること。
• これらのプロトコルに、ストレスやスケーリング下でのカオス的ダイナミクスの可能性を調査すること。
• ビットコインの複雑性に関する先行研究の結果を、より広範な合意形成メカニズムのクラスに拡張すること。
• ブロックチェーンシステムの比較的分析に適用可能な複雑性測度を特定すること。

提案手法

• ブロックチェーンプロトコルの構造的複雑性をモデル化するために、Crutchfieldの統計的複雑性測度を適用する。
• 複雑系の情報理論を用いて、プロトコル行動における秩序とランダムネスを定量化する。
• PoW、PoS、ハイブリッドシステムからのプロトコルデータストリームを確率過程として分析する。
• 合意形成メカニズム間での複雑性プロファイルを比較し、不安定性のパターンを検出する。
• 計算ツールを用いて、ブロックチェーン取引シーケンスから統計的複雑性を推定する。
• 計算効率やセキュリティではなく、定性的な複雑性に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PoW、PoS、ハイブリッドブロックチェーンプロトコルは、どれほど複雑系の特徴を示しているか？
• RQ2 統計的複雑性測度は、これらのプロトコルにおけるカオス的挙動の兆候を早期に検出可能か？
• RQ3 PoWとPoSシステムの複雑性プロファイルにはどのような相違があり、それがシステミックリスクにどのような意味を持つのか？
• RQ4 ブロックチェーンベースの金融システムにおける不安定性や崩壊の兆候を示す、測定可能な複雑性の閾値は存在するか？

主な発見

• 本研究では、PoW、PoS、ハイブリッドプロトコルが測定可能な統計的複雑性を示しており、これらが複雑系であることが判明した。
• 複雑性は合意形成メカニズムによって顕著に異なるが、分析フレームワークにおいてPoWはPoSよりも高い構造的複雑性を示した。
• 結果から、高い複雑性は、特に高負荷や悪意ある状況下でカオス的ダイナミクスのリスクが高まることを示唆している。
• 本フレームワークは、情報理論的指標を用いて、異なるブロックチェーン設計間でのシステミックな安定性を比較する基盤を提供する。