[논문 리뷰] Analysis of Polkadot: Architecture, Internals, and Contradictions

Hanaa Abbas, Maurantonio Caprolu외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 28.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 폴카닷의 아키텍처, 프로토콜, 경제 모델에 대한 첫 번째 체계적 분석을 제시하며, 탈중앙화성과 확장성에 위협이 되는 설계상의 심각한 모순을 드러낸다. 2020년 6월부터 2022년 4월까지의 블록체인 검증자 데이터를 바탕으로 한 실증 분석을 통해, 높은 스테이킹 요구 조건, 독점적 검증자 행동, 거버넌스 불균형으로 인한 점점 커지는 탈중앙화 위험을 규명한다. 이는 폴카닷이 NPoS와 스파닝을 통해 참가의 민주화를 주장함에도 불구하고 여전히 존재한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 폴카닷의 아키텍처, 프로토콜, 경제 모델에 대한 첫 번째 종합적이고 체계적인 연구를 제공하기 위해.
• 탈중앙화성, 확장성, 보안성이라는 핵심 약속을 뒤엎을 수 있는 설계상의 모순을 규명하고 분석하기 위해.
• 폴카닷 블록체인의 실증 데이터를 바탕으로 이론적 우려를 검증하기 위해, 특히 검증자 행동과 스테이킹 다이내믹스에 집중한다.
• NPoS 합의 기반 구조와 거버넌스 모델의 체계적 한계를 부각하여, 부유한 기관에만 참가가 제한되는 문제를 드러내기 위해.
• 다중 체인 블록체인 생태계에서 성능, 보안성, 탈중앙화성에 대한 향후 연구를 이끌기 위해.

제안 방법

• 스파닝된 다중 체인 아키텍처인 리레인 체인, 파라체인, 합의 메커니즘을 포함한 폴카닷의 설계 및 프로토콜 수준의 상세한 검토를 수행한다.
• 검증자와 노미네이터를 위한 인cent라이브를 중심으로 NPoS(Nominated Proof of Stake) 시스템과 함께 폴카닷의 경제 모델을 분석한다.
• 2020년 6월부터 2022년 4월까지의 블록체인 데이터를 수집하고 처리하여 검증자 선거 및 스테이킹 행동에 대한 분석을 수행한다.
• 검증자 수수료율, 자기 스테이킹 수준, 노미네이션 패턴을 분석하여 탈중앙화 경향을 탐지한다.
• 거버넌스 메커니즘과 스테이크 집중도를 평가하여 민주적 참여와 체계적 위험을 점검한다.
• 폴카닷의 설계적 주장과 실측 블록체인 행동 간의 괴리를 규명하고, 모순을 파악하기 위해 비교 분석을 수행한다.

Figure 1: Polkadot Data Structures and Participants

실험 결과

연구 질문

• RQ1 폴카닷의 NPoS 메커니즘이 넓은 참가를 가능하게 하는가, 아니면 부유한 검증자들 사이에 탈중앙화가 초래되는가?
• RQ2 검증자 수수료율과 자기 스테이킹 수준은 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가, 그리고 이는 인cent라이브 일치성과 통제력에 어떤 시사점을 제공하는가?
• RQ3 현재 폴카닷 네트워크에서 검증자 및 노미네이터 수에 대한 제한이 초래하는 체계적 위험은 무엇인가?
• RQ4 폴카닷의 스테이크 집중도와 거버넌스 구조는 이더리움이나 알고랜드와 같은 다른 PoS 블록체인과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 폴카닷의 기술적 제약이 광고된 확장성 및 상호운용성 기능을 얼마나 심각하게 뒷받침하는가?

주요 결과

• 수수료율 100%를 부과하는 활성 검증자의 비율이 60%를 초월했으며, 시간이 지남에 따라 증가 추세를 보이고 있어, 검증자들이 보상의 전부를 자기 자신에게 보존하는 경향이 심화되고 있음을 시사한다.
• 많은 고수수료 검증자들이 최소한의 자기 스테이킹을 보이고 있어, 이들이 뒷받침하는 동일한 기관에 의해 제어되고 있을 가능성이 높으며, 이는 부정행위 및 책임 감소에 대한 우려를 제기한다.
• 검증자가 되기 위한 높은 스테이킹 요구 조건—약 3200만 달러—으로 인해 일반 사용자는 사실상 배제되고, 권력이 소수의 부유한 기관에 집중되고 있다.
• NPoS를 통한 탈중앙화 주장에도 불구하고 현재 시스템은 '부자일수록 더 많은 보상을 얻는' 다이내믹을 가능하게 하여, 대규모 스테이커들이 보상과 거버넌스 영향력을 지배하고 있음을 드러낸다.
• 네트워크의 확장성은 검증자 및 노미네이터 수에 대한 하드코드된 제한으로 인해 제약을 받고 있으며, 이는 스파닝 아키텍처가 존재하더라도 성장에 장애가 될 수 있다.
• 관찰된 행동은 폴카닷의 민주적 참가를 위한 공식 비전과 정면으로 배치되며, 점점 더 탈중앙화와 조작에 취약한 시스템임을 드러낸다.

Figure 2: Stages of Parachain Consensus