[論文レビュー] Impossibility of Full Decentralization in Permissionless Blockchains

Yu‐Jin Kwon, Jian Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 21被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、1つのエンティティが複数のノードを運営することをコストにすることで抑える「Sybilコスト」がなければ、許可なしブロックチェーンにおける完全な分散化が不可能であることを証明している。このようなコストがなければ、リソースの不平等が高くなると、良好な分散化を達成する確率は上界に制限され、0に近づくことが示され、現在のブロックチェーンにおける分散化と信頼なし設計の根本的な矛盾が明らかになる。

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.

研究の動機と目的

• 許可なしブロックチェーンにおける完全な分散化が達成可能な条件を形式的に定義し分析すること。
• PoW、PoS、DPoSシステムにおける既存のインcentiveメカニズムが、設計上の改善にもかかわらず依然として顕著な中央集権化を引き起こす理由を調査すること。
• 完全な分散化を妨げる根本的障壁を特定すること：信頼できない環境におけるSybilコストの欠如。
• Sybilコストのないシステムにおける分散化を達成する確率の理論的上界を確立すること。
• 信頼できる第三者（TTP）に依存せずにSybilコストを割り当てる必要性が、良好な分散化を達成するために不可欠であると提言すること。

提案手法

• $(m,\varepsilon,\delta)$-分散化の形式的定義を導入。ここで$m$はアクティブノード数、$\varepsilon$はパワー比の公平性を制御し、$\delta$はパーセンタイル閾値を設定する。
• Sybilコストを、1つのエンティティが複数のノードを運営する場合と、複数のエンティティがそれぞれ1つのノードを運営する場合のコストの差として定義する。
• Sybilコストが存在する場合、どのような共通合意プロトコルであっても、完全な分散化が確率1で達成可能であることを証明する。
• Sybilコストが存在しない場合の$(m,\varepsilon,\delta)$-分散化を達成する確率の上界を、$f_\delta$（$\delta$-パーセンタイルのパワーと最も裕福な参加者のパワーとの比）の関数として導出する。
• 上界が$f_\delta$が小さい場合に0に近づくことの意味を分析し、リソース配分における高い不平等が分散化を著しく制限することを示す。
• ゲーム理論的推論とインcentiveモデリングを用いて、Sybil攻撃に対するコスト的抑制がない限り、合理的な参加者は分散化構成に自己組織化しないことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できる第三者（TTP）に依存せず、かつSybilコストが存在しない場合、許可なしブロックチェーンで完全な分散化を達成できるか？
• RQ2 Sybilコストが欠如するシステムにおける良好な分散化を達成する確率の理論的上界は何か？
• RQ3 最も裕福な参加者と最も貧しい参加者の間のリソースの不平等は、分散化合意に到達する可能性にどのように影響するか？
• RQ4 PoW、PoS、DPoSシステムにおける既存のインcentiveメカニズムが、設計上の努力にもかかわらず依然として高い中央集権化をもたらす理由は何か？
• RQ5 高水準の分散化を達成することと、TTPに依存しないことの間には、根本的な不適合性があるのか？

主な発見

• 完全な分散化は、Sybilコストがなければ許可なしブロックチェーンで不可能であり、その理論的不可能性により、このようなコストが欠如する場合、高い分散化確率を達成できないことが証明された。
• Sybilコストが存在しない場合、$(m,\varepsilon,\delta)$-分散化を達成する確率は、$f_\delta$（$\delta$-パーセンタイルのパワーと最も裕福な参加者のパワーとの比）の関数として上界に制限される。
• 上界が$f_\delta$が小さい場合に0に近づくことから、リソース配分における高い不平等が分散化をほぼ不可能にすることが示された。
• Sybilコストが存在すれば、どのような基盤となる共通合意プロトコルであっても、完全な分散化が確率1で達成可能であり、これは理想の分散化を達成するための必須条件である。
• プロトコルおよびデータ分析からの実証的観察結果は、理論的モデルと整合しており、Sybilコストが分散化を実現可能にする重要な要因であるという主張を支持する。
• 本論文は、根本的な矛盾を特定した：良好な分散化を達成するにはSybilコストが必要であるが、TTPに依存せずにそのコストを割り当てる方法は、現在のブロックチェーンシステムでは未解決の課題のままである。