[論文レビュー] Staking Pools on Blockchains

Hans Gersbach, Akaki Mamageishvili+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、証明書不要型ブロックチェーンにおけるステーキングプール形成をゲーム理論的枠組みを用いてモデル化し、報酬配分ルールがブロックチェーンのセキュリティおよび公平性に与える影響を分析している。均衡の存在と一意性を確立し、リターン競争が悪意ある参加者によるプール支配を防ぐ一方、リターン固定は誠実な参加者のフリーライドによってシステム的失敗を引き起こすことを示している。

ABSTRACT

On several proof-of-stake blockchains, agents engaged in validating transactions can open a pool to which others can delegate their stake in order to earn higher returns. We develop a model of staking pool formation in the presence of malicious agents and establish existence and uniqueness of equilibria. We then identify potential and risk of staking pools. First, allowing for staking pools lowers blockchain security. Yet, honest stake holders obtain higher returns. Second, by choosing welfare optimal distribution rewards, staking pools prevent that malicious agents receive large rewards. Third, when pool owners can freely distribute the returns from validation to delegators, staking pools disrupt blockchain operations, since malicious agents attract most delegators by offering generous returns.

研究の動機と目的

• 悪意ある参加者が存在する状況下で、証明書不要型ブロックチェーンにおけるステーキングプール形成をモデル化すること。
• リターン固定とリターン競争という異なる報酬配分メカニズムが、ブロックチェーンのセキュリティおよび参加者のインセンティブに与える影響を分析すること。
• ステーキングプールがブロックチェーンのセキュリティおよび公平性を強化するか、あるいは損なうかの条件を同定すること。
• ステーキングプール形成ゲームにおける均衡の存在と一意性を確立すること。
• 報酬配分ルールがブロックチェーンにおける誠実なバリデーターと悪意あるバリデーターの割合に与える影響を評価すること。

提案手法

• 誠実および悪意ある参加者が存在するステーキングプール形成のゲーム理論的モデルを形式化し、参加者がプールを運営するか、または委任するかを決定する。
• ブロックプロポーザルがステークに比例して選ばれ、報酬がプールルールに従って配分されるメカニズムとしてブロックチェーンをモデル化する。
• 2つの設計メカニズムを導入する：リターン固定（プール所有者と委任者間の固定配分）とリターン競争（プール所有者が報酬配分で競争する）。
• 無限小の測度を持つ参加者を仮定する連続的モデルを用いて、均衡の存在および一意性の解析的条件を導出する。
• チェルノフの集中不等式を適用して、有限で大きな数の参加者を想定する離散的設定への結果の拡張を行う。
• 正の均衡の存在に必要な報酬割合λの閾値条件を導出し、c* = 0のときλ ≥ m/(n + m)が必要であることを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 悪意ある参加者が存在する状況下で、どのような条件下でステーキングプールが存在し、安定した均衡を形成するのか？
• RQ2 プール所有者の間のリターン競争は、リターン固定と比較してブロックチェーンのセキュリティにどのように影響するか？
• RQ3 プール運営のコストが、誠実な参加者がプールを形成するかどうかを決定する上で果たす役割は何か？
• RQ4 報酬配分ルールを設計することで、悪意ある参加者が不釣り合いな報酬を得ることを防げるか？
• RQ5 連続的近似モデルと有限参加者を想定する離散的モデルとの間で、均衡の結果にどのような差異が生じるか？

主な発見

• リターン固定メカニズムでは、均衡において誠実な参加者はプールを運営しない。これは、個々の行動がゼロの影響しか与えないため、ブロックチェーンの破綻を引き起こす。
• リターン競争メカニズムでは、報酬割合λがλ ≥ m/(n + m)を満たす場合に限り、誠実な参加者がプールを形成する一意な均衡が存在する。
• モデルは、ステーキングプールの許可が誠実なステーカーのリターンを増加させることを示しているが、適切に管理されない場合、ブロックチェーンのセキュリティを低下させる可能性がある。
• 福祉最適化報酬配分を採用することで、悪意ある参加者が大きな報酬を得ることを防ぎ、システムのレジリエンスを向上させることができる。
• 離 discrete モデルの近似は連続的結果を確認しており、nが十分に大きい場合、均衡条件が有限の参加者数に対しても安定であることが示された。
• 分析により、リターン競争はリターン固定よりも優れたセキュリティ結果をもたらすことが判明した。これはインセンティブの整合性を保ち、誠実な参加者のフリーライドを防ぐからである。