[논문 리뷰] Impossibility of Full Decentralization in Permissionless Blockchains

Yu‐Jin Kwon, Jian Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 13.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 21인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 허가되지 않은 블록체인에서 전체 탈중앙화가 시빌 비용이 없는 한 불가능하다는 것을 증명한다. 여기서 시빌 비용이란 한 개의 실체가 여러 노드를 운영하는 것을 비용이 많이 들도록 만드는 것을 의미한다. 이는 시빌 비용이 없을 경우, 탈중앙화를 달성할 확률이 상한선을 가지고 있으며 자원의 불균형이 심할수록 그 확률이 0에 수렴한다는 것을 보여주며, 현재의 블록체인에서 탈중앙화와 신뢰할 수 없는 설계 간의 근본적인 모순을 드러낸다.

ABSTRACT

Bitcoin uses blockchain technology and proof-of-work (PoW) mechanism where nodes spend computing resources and earn rewards in return for spending these resources. This incentive system has caused power to be significantly biased towards a few nodes, called mining pools. In fact, poor decentralization appears not only in PoW-based coins but also in coins adopting other mechanisms such as proof-of-stake (PoS) and delegated proof-of-stake (DPoS). In this paper, we target this centralization issue. To this end, we first define (m, \varepsilon, δ)-decentralization as a state that satisfies 1) there are at least m participants running a node and 2) the ratio between the total resource power of nodes run by the richest and δ-th percentile participants is less than or equal to 1+\varepsilon. To see if it is possible to achieve good decentralization, we introduce sufficient conditions for the incentive system of a blockchain to reach (m, \varepsilon, δ)-decentralization. When satisfying the conditions, a blockchain system can reach full decentralization with probability 1. However, to achieve this, the blockchain system should be able to assign a positive Sybil cost, where the Sybil cost is defined as the difference between the cost for one participant running multiple nodes and the total cost for multiple participants each running one node. On the other hand, we prove that when there is no Sybil cost, the probability of reaching (m, \varepsilon, δ)-decentralization is upper bounded by a value close to 0, considering a large rich-poor gap. To determine the conditions that each system cannot satisfy, we also analyze protocols of all PoW, PoS, and DPoS coins in the top 100 coins according to our conditions. Finally, we conduct data analysis of these coins to validate our theory.

연구 동기 및 목표

• 허가되지 않은 블록체인에서 전체 탈중앙화가 달성될 수 있는 조건을 공식적으로 정의하고 분석하는 것.
• PoW, PoS, DPoS 시스템의 기존 인centive 메커니즘이 설계 개선에도 불구하고 여전히 상당한 탈중앙화를 초래하는 이유를 조사하는 것.
• 전체 탈중앙화를 방해하는 핵심 장애 요인을 특정하는 것: 신뢰할 수 없는 환경에서 시빌 비용이 존재하지 않는 것.
• 시빌 비용이 없는 시스템에서 탈중앙화를 달성할 확률에 대한 이론적 상한선을 설정하는 것.
• 신뢰할 수 있는 제3자(TTP)에 의존하지 않고 시빌 비용을 할당하는 것이 양호한 탈중앙화를 달성하는 데 필수적이라는 제안

제안 방법

• $(m,\varepsilon,\delta)$-탈중앙화의 공식 정의를 도입하며, 여기서 $m$은 활성 노드 수, $\varepsilon$는 권력 비율 공정성 조절 변수, $\delta$는 백분위수 기준치를 설정한다.
• 시빌 비용을 한 실체가 여러 노드를 운영하는 것과 여러 실체가 각각 한 노드씩 운영하는 것 간의 비용 차이로 정의한다.
• 시빌 비용이 존재할 경우, 어떤 공인 알고리즘을 사용하든 전체 탈중앙화가 확률 1로 달성될 수 있음을 증명한다.
• 시빌 비용이 없을 경우 $(m,\varepsilon,\delta)$-탈중앙화를 달성할 확률에 대한 상한선을 유도하며, 이는 $f_\delta$에 대한 함수로 표현된다. 여기서 $f_\delta$는 $\delta$-백분위수의 자원 파wr와 가장 부유한 참가자의 파wr 비율이다.
• 상한선이 $f_\delta$가 작을 경우 0에 가까워지는 것을 분석하여, 자원 분포의 높은 불균형이 탈중앙화를 심각하게 제한함을 보여준다.
• 게임 이론적 추론과 인centive 모델링을 사용하여, 시빌 공격에 대한 비용 제재가 없으면 합리적인 행위자들이 자발적으로 탈중앙화 구조로 조직되지 않을 것임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰할 수 있는 제3자(TTP)에 의존하지 않고도 시빌 비용이 없는 허가되지 않은 블록체인에서 전체 탈중앙화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 시빌 비용이 없는 시스템에서 양호한 탈중앙화를 달성할 확률에 대한 이론적 상한선은 무엇인가?
• RQ3 가장 부유한 참가자와 가장 빈곤한 참가자 간의 자원 불균형은 탈중앙화 합의를 달성할 가능성을 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 PoW, PoS, DPoS 시스템의 기존 인센티브 메커니즘은 설계 개선에도 불구하고 여전히 높은 탈중앙화를 초래하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 높은 탈중앙화를 달성하고 TTP에 의존하지 않기를 원하는 블록체인 시스템 간에 근본적인 불일치가 존재하는가?

주요 결과

• 시빌 비용이 없을 경우, 전체 탈중앙화가 이론적으로 불가능하므로 허가되지 않은 블록체인에서 전체 탈중앙화가 불가능하다는 것이 증명되었다.
• 시빌 비용이 없을 경우 $(m,\varepsilon,\delta)$-탈중앙화를 달성할 확률은 $f_\delta$에 대한 함수로 상한선이 존재하며, 여기서 $f_\delta$는 $\delta$-백분위수의 자원 파wr와 가장 부유한 참가자의 파wr 비율이다.
• 상한선이 $f_\delta$가 작을 경우 0에 가까워지므로, 자원 분포의 높은 불균형이 탈중앙화를 거의 불가능하게 만든다.
• 시빌 비용이 존재할 경우, 어떤 기반 공인 알고리즘을 사용하든 전체 탈중앙화가 확률 1로 달성 가능하므로, 이는 이상적인 탈중앙화를 달성하기 위한 필수 조건이다.
• 프로토콜 및 데이터 분석의 경험적 관찰 결과는 이론적 모델과 일치하며, 시빌 비용이 탈중앙화의 핵심 추진력임을 뒷받침한다.
• 이 논문은 근본적인 모순을 규명한다: 양호한 탈중앙화를 달성하려면 시빌 비용이 필요하지만, TTP 없이 이러한 비용을 할당하는 것은 현재의 블록체인 시스템에서 해결되지 않은 과제 그대로이다.