[논문 리뷰] Staking Pools on Blockchains

Hans Gersbach, Akaki Mamageishvili외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 11.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 게임 이론 프레임워크를 사용하여 지분 증명 블록체인에서 스테이킹 풀 형성 과정을 모델링하며, 보상 배분 규칙이 블록체인 보안성과 공정성에 미치는 영향을 분석한다. 균형의 존재성과 유일성을 입증하고, 수익 경쟁은 악성 행위자가 풀을 지배하는 것을 방지할 수 있으며, 반면 수익 고정 제도는 신뢰할 수 있는 참가자들의 자유 진입으로 인해 체계적 실패를 초래할 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 악성 참가자가 존재하는 조건에서 지분 증명 블록체인의 스테이킹 풀 형성 과정을 모델링하기.
• 수익 배분 메커니즘의 차이—수익 고정 대비 수익 경쟁—이 블록체인 보안성과 참가자 인cent라이브에 미치는 영향을 분석하기.
• 스테이킹 풀이 블록체인 보안성과 공정성에 기여하는지 또는 해로운 영향을 미치는 조건을 규명하기.
• 스테이킹 풀 형성 게임에서 균형의 존재성과 유일성을 입증하기.
• 보상 배분 규칙이 블록체인 내 신뢰할 수 있는 검증자와 악성 검증자의 비율에 미치는 영향 평가하기.

제안 방법

• 신뢰할 수 있는 참가자와 악성 참가자를 포함한 게임 이론적 모델을 정식화하여, 참가자들이 풀을 운영할지 또는 위임할지를 선택하는 과정을 분석한다.
• 블록 제안자가 지분 비율에 비례하여 선정되고, 보상은 풀 규칙에 따라 배분되는 메커니즘으로 블록체인을 모델링한다.
• 두 가지 설계 메커니즘을 도입한다: 수익 고정(풀 소유자와 위임자 간 고정된 수익 분할)과 수익 경쟁(풀 소유자 간 수익 분할 경쟁).
• 무한소 측도를 갖는 연속 모델을 사용하여 균형 존재성 및 유일성에 대한 분석적 조건을 유도한다.
• 체르노프 농도 경계를 적용하여 유한하고 큰 수의 참가자가 존재하는 이산 설정으로 결과를 확장한다.
• 양의 균형 존재를 위한 보상 수익 비율 λ의 임계 조건을 유도하며, c* = 0 인 경우 λ ≥ m/(n + m) 가 필수 조건임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 악성 참가자가 존재하는 조건에서 스테이킹 풀은 어떤 조건에서 존재하며 안정적인 균형을 형성하는가?
• RQ2 풀 소유자 간 수익 경쟁이 수익 고정 대비 블록체인 보안성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 풀 운영 비용이 민감한 참가자가 풀을 구성할지 여부를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 악성 참가자가 비례적으로 큰 보상을 수령하는 것을 방지할 수 있는 보상 배분 규칙을 설계할 수 있는가?
• RQ5 유한 참가자 수를 가진 이산 모델과 비교해 볼 때, 연속 모델의 근사치는 균형 결과에 대해 얼마나 유사한가?

주요 결과

• 수익 고정 제도에서는 균형 상태에서 어떤도 신뢰할 수 있는 참가자가 풀을 운영하지 않으며, 개인 행동의 영향도 0이므로 블록체인의 기능이 붕괴된다.
• 수익 경쟁 제도에서는 유일한 균형이 존재하며, 이 경우 신뢰할 수 있는 참가자들이 풀을 구성할 수 있는 조건은 보상 수익 비율 λ 가 λ ≥ m/(n + m) 를 만족할 때이다. 이는 긍정적인 참여를 보장한다.
• 모델은 스테이킹 풀을 允가함으로써 신뢰할 수 있는 스테이커의 수익을 증가시킬 수 있지만, 적절한 거버넌스가 없으면 블록체인 보안성이 감소할 수 있음을 보여준다.
• 복지 최적화 보상 배분 방식을 통해 악성 참가자가 큰 보상을 수령하는 것을 방지할 수 있으며, 이는 시스템의 내구성을 향상시킨다.
• 이산 모델의 근사치는 연속 모델 결과를 확인하며, 대규모 n 에서 유한한 참가자 수에 대해서도 균형 조건이 강인함을 보여준다.
• 분석 결과, 수익 경쟁은 수익 고정보다 더 나은 보안 결과를 낳으며, 이는 인센티브를 조율하고 신뢰할 수 있는 참가자의 자유 진입을 방지하기 때문이다.