[论文解读] Ethereum Proof-of-Stake Consensus Layer: Participation and Decentralization

Dominic Grandjean, Lioba Heimbach+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2023

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一句话总结

本文对以太坊合并后权益证明共识层进行了纵向测量研究，分析了验证者参与度与去中心化程度。研究发现，参与度接近完美（>98%），但波动与客户端错误或升级有关；同时揭示出质押权力仍高度集中，尤其是通过Lido等流动性质押服务，导致MEV集中化及潜在的网络控制风险，引发安全担忧。

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.

研究动机与目标

• 测量以太坊合并后权益证明共识层中验证者的长期参与水平。
• 评估以太坊PoS中质押权力的去中心化程度，区分独立质押者与质押服务运营商。
• 研究集中化带来的安全影响，特别是关于MEV提取与网络弹性方面的风险。
• 评估网络升级、客户端错误及大型质押运营商对共识稳定性和参与度的影响。

提出的方法

• 自2022年9月起对信标链数据进行纵向分析，以追踪各插槽和纪元中验证者的参与率。
• 将验证者参与度定义为成功提出区块与接收到的证明数量占总预期值的比例，基于信标链的链上数据。
• 根据共享的运营商密钥或流动性质押池隶属关系，将验证者聚类为实体，以评估质押权力的集中程度。
• 采用乐观（基于运营商层级聚类）与悲观（基于池层级聚类）两种去中心化分析方法，以界定去中心化水平的边界。
• 将参与度下降与已知事件（如网络升级、客户端发布周期、主要共识客户端如Prysm和Teku中的报告错误）进行关联。
• 通过将大型质押实体与更高的MEV捕获潜力关联，评估集中化带来的安全影响，特别是多区块MEV。

实验结果

研究问题

• RQ1 以太坊PoS共识层中验证者的长期参与趋势如何？哪些因素导致其偏离峰值参与度？
• RQ2 与PoW前身相比，以太坊PoS中的质押权力去中心化程度改善了多少？
• RQ3 Lido等流动性质押提供商的质押权力集中化程度，如何影响共识层的整体去中心化程度？
• RQ4 高质押权力集中化带来了哪些安全影响，特别是关于MEV提取与网络控制风险方面？

主要发现

• 以太坊PoS中的验证者参与度极高，平均99.00%的区块成功被提出，99.53%的证明被接收。
• 参与度下降始终与网络升级、客户端特定错误（如Prysm和Teku中的错误）或大型质押运营商的运营问题相关。
• 尽管已转向PoS，质押权力的去中心化程度依然较低——在悲观视角下，网络表现得如同仅有八个等规模验证者构成的系统。
• 仅Lido就持有约三分之一的质押权力，若其受损或行为异常，可能对网络造成系统性风险。
• 大型质押服务表现出更高的参与率和更强的韧性，使其能够捕获更多MEV，包括多区块MEV机会。
• 高MEV收益与大型实体较低的运营成本相结合，形成自我强化的循环，抑制了独立质押行为，加剧了集中化趋势。