[논문 리뷰] Comparison of Decentralization in DPoS and PoW Blockchains

Chao Li, Balaji Palanisamy|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 06.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 샤논 엔트로피를 사용하여 비트코인(PoW)과 스티움(DPoS)의 탈중앙화 수준을 계량화함으로써 컴퓨팅 파워와 스테이크의 분포를 비교한다. 연구 결과, 상위 마이너들 사이에서는 비트코인이 더 탈중앙화되어 있지만, 전체적으로는 스티움이 더 탈중앙화되어 있음을 확인하였으며, 이는 두 시스템이 모든 지표에서 명백히 뛰어난 탈중앙화를 보이지 않음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 증명된 작업(PoW)과 위임된 증명된 스테이크(DPoS) 블록체인 간 실제 탈중앙화 수준을 평가하고 비교하기 위해.
• PoW와 DPoS 합의 메커니즘 간 탈중앙화에 대한 비교 연구의 부족을 보완하기 위해.
• 스티움의 DPoS 시스템에서 진정으로 탈중앙화된 상태를 반영하기 위해, 단지 워치맨 분포가 아니라 스테이커 간 스테이크 분포를 측정하기 위해.
• 다양한 블록체인 아키텍처 간 탈중앙화 수준을 비교하기 위한 정량적 지표로 샤논 엔트로피를 적용하기 위해.
• 미래의 탈중앙화 연구를 안내하기 위한 방법론적 통찰력과 실증적 발견을 제공하기 위해.

제안 방법

• 연구는 BTC.com API에서 제공하는 데이터를 활용하여 비트코인의 마이너들 간 컴퓨팅 파워 분포의 샤논 엔트로피를 계산한다.
• 스티움 블록체인과 인터랙티브 API에서 제공하는 데이터를 사용하여 각 스테이커가 실제로 투자한 스테이크를 측정한다.
• 스티움의 DPoS 메커니즘에서의 스테이크 가중 투표 과정을 분석하여, 투표력이 워치맨 선출에 어떻게 전환되는지 이해한다.
• 샤논 엔트로피를 비트코인의 컴퓨팅 파워 분포와 스티움의 스테이크 분포 양쪽에 적용하여 탈중앙화 수준을 계량화한다.
• 다양한 순위(예: 상위 10%, 상위 50%)에서의 엔트로피 값을 비교하여, 다양한 집계 수준에서의 탈중앙화 수준을 평가한다.
• 이 방법론은 실제 스테이크 및 파워 분포 기반으로 PoW와 DPoS 블록체인 간 탈중앙화 수준을 직접적으로 정량적으로 비교할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컴put링 파워와 스테이크 분포를 기준으로 측정했을 때, 비트코인(PoW)의 탈중앙화 수준은 스티움(DPoS)과 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ2 스티움과 같은 DPoS 블록체인에서 스테이크 가중 투표 메커니즘이 실제로 시스템의 탈중앙화에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 일반적으로 DPoS 블록체인이 본질적으로 중심화되어 있다는 가정은 스테이크 분포에 대한 실증 데이터에 의해 완전히 뒷받침되는가?
• RQ4 집계 수준의 선택(예: 상위 10% 대비 상위 50%)이 PoW와 DPoS 시스템의 탈중앙화 수준에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 샤논 엔트로피는 다양한 합의 프로토콜 간 탈중앙화 수준을 정량화하기 위해 신뢰할 수 있고 비교 가능한 지표로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 비트코인은 상위 마이너들 사이에서 더 높은 샤논 엔트로피를 보이며, 주요 마이닝 파워 수준에서 더 높은 탈중앙화를 나타낸다.
• 모든 마이너를 고려할 때, 비트코인의 컴퓨팅 파워 분포의 총 엔트로피는 스티움의 스테이크 분포보다 낮으며, 이는 스티움이 더 넓은 인구 집단에서 더 탈중앙화되어 있음을 시사한다.
• 스티움의 스테이크 분포는 전체 스테이커 기반에서 더 높은 엔트로피를 보이며, 이는 비트코인의 마이닝 풀 집중도에 비해 더 균형 잡힌 제어 메커니즘을 의미한다.
• 이 연구는 비트코인과 스티움이 모든 지표에서 명백히 뛰어난 탈중앙화를 보이지 않음을 밝혀내었으며, 비트코인은 상위 주체들 사이에서 앞서고, 스티움은 전체 분포에서 앞서고 있음을 확인하였다.
• 연구 결과는 DPoS가 PoW보다 본질적으로 탈중앙화되지 않았다는 가정을 도전하며, 스테이크 기반 거버넌스가 넓게 분포되어 있다면 높은 수준의 탈중앙화를 달성할 수 있음을 보여준다.
• 실제 스테이크 및 파워 분포에 샤논 엔트로피를 적용한 본 연구의 방법론은 다양한 블록체인 시스템의 탈중앙화 수준 평가를 위한 강력하고 비교 가능한 프레임워크를 제공한다.