[논문 리뷰] Ethereum Proof-of-Stake Consensus Layer: Participation and Decentralization

Dominic Grandjean, Lioba Heimbach외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 19.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 '메르지' 이후 이더리움의 합의 레이어에 대한 종단적 측정 연구를 제시하며, 검증자 참가율과 분산화 수준을 분석한다. 연구 결과, 참가율은 거의 완벽한 수준(98% 이상)을 유지하고 있으며, 참가율 하락은 주로 클라이언트 버그나 업그레이드와 연관되어 있다. 또한 라이크드 스테이킹 서비스(예: Lido)를 통해 스테이킹 파wr가 매우 집중되어 있어, MEV 집중과 네트워크 제어 리스크로 인한 보안 우려가 제기된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 메르지 이후 이더리움의 Proof-of-Stake 합의 레이어에서 검증자의 종단적 참가 수준을 측정하기 위해.
• 이더리움 PoS에서 스테이킹 파wr의 분산화 수준을 평가하며, 소규모 스테이커와 스테이킹 서비스 운영자 간의 차이를 구분하기 위해.
• 특히 MEV 추출과 네트워크 내성에 대한 영향을 고려해, 집중화의 보안적 영향을 조사하기 위해.
• 네트워크 업그레이드, 클라이언트 버그, 대규모 스테이킹 운영자들이 합의 안정성과 참가율에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 2022년 9월 이후 빔 체인 데이터를 종단적으로 분석하여 슬롯과 에포크 단위로 검증자 참가율을 추적하였다.
• 온체인 데이터를 기반으로 빔 체인에서의 블록 제안 및 확인 서명의 성공 횟수를 총 기대 수와 비교하여 검증자 참가율을 정의하였다.
• 공통된 운영자 키나 라이크드 스테이킹 풀 소속 관계를 기반으로 검증자를 집단화하여 스테이킹 파wr 집중도를 평가하였다.
• 분산화 수준을 근사하기 위해 옵티미스틱(운영자 수준 집단화)과 페티티브(풀 수준 집단화) 분석을 모두 수행하였다.
• 네트워크 업그레이드, 클라이언트 출시 주기, 주요 합의 클라이언트(예: Prysm, Teku)에서 보고된 버그와 같은 알려진 사고와 참가율 하락을 연관 분석하였다.
• 대규모 스테이킹 엔티티가 더 높은 MEV 획득 가능성을 가지며, 특히 다중 블록 MEV를 포함한 기회를 더 많이 확보할 수 있음을 고려하여 집중화의 보안적 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이더리움 PoS 합의 레이어에서 검증자 참가율의 종단적 추세는 어떠한가? 그리고 최고 참가율에서의 이탈 원인은 무엇인가?
• RQ2 PoW의 전신과 비교해 이더리움 PoS에서 스테이킹 파wr의 분산화는 어느 정도 향상되었는가?
• RQ3 Lido와 같은 라이크드 스테이킹 제공자가 스테이킹 파wr를 집중시키는 방식이 합의 레이어의 총체적 분산화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 높은 스테이킹 파wr 집중이 MEV 추출 및 네트워크 제어 리스크와 관련해 어떤 보안적 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이더리움 PoS에서 검증자 참가율은 매우 높은 편으로, 평균 블록 제안 성공률 99.00%와 확인 서명 수신률 99.53%를 기록하였다.
• 참가율 하락은 네트워크 업그레이드, 클라이언트 전용 버그(예: Prysm 및 Teku에서의 버그), 또는 대규모 스테이킹 운영자의 운영 문제와 항상 연관되어 있었다.
• PoW에서 PoS로의 전환에도 불구하고 스테이킹 파wr의 분산화 수준은 여전히 낮다. 페티티브 관점에서 볼 때 네트워크는 오직 여덟 개의 동일한 크기의 검증자로 구성된 시스템과 유사하다.
• Lido는 단지 스테이킹 파wr의 약 1/3을 차지하고 있으며, 만약 손상되거나 비정상적으로 행동할 경우 네트워크 정지 리스크를 내포하고 있어 체계적 리스크로 작용할 수 있다.
• 대규모 스테이킹 서비스는 더 높은 참가율과 더 높은 내성성을 보이며, 더 많은 MEV를 확보할 수 있으며, 다중 블록 MEV 기회까지도 활용할 수 있다.
• MEV에서 얻는 보상이 높고 운영 비용이 낮은 대규모 엔티티의 경우, 단일 스테이킹을 방지하고 중심화를 악화시키는 자기유지 순환 구조를 형성한다.