[论文解读] Optimizing Exit Queues for Proof-Of-Stake Blockchains: A Mechanism Design Approach

Mike Neuder, Mallesh M. Pai+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Blockchain Technology Applications and Security被引用 1

一句话总结

本文提出了一套机制设计框架，用于优化权益证明区块链中的退出队列，引入了 MINSLACK——一种基于历史退出情况和安全约束动态调整提款容量的先进先出队列。证明了 MINSLACK 在同质化质押者情况下的最优性，并进一步扩展至优先级机制（如 PRIO-MINSLACK 和 α-MINSLACK），以应对异质化时间敏感性需求，显著降低不便利性，同时保持安全性。

ABSTRACT

Byzantine fault-tolerant consensus protocols have provable safety and liveness properties for static validator sets. In practice, however, the validator set changes over time, potentially eroding the protocol's security guarantees. For example, systems with accountable safety may lose some of that accountability over time as adversarial validators exit. As a result, protocols must rate limit entry and exit so that the set changes slowly enough to ensure security. Here, the system designer faces a fundamental trade-off. Slower exits increase friction, making it less attractive to stake in the first place. Faster exits provide more utility to stakers but weaken the protocol's security. This paper provides the first systematic study of exit queues for Proof-of-Stake blockchains. Given a collection of validator-set consistency constraints imposed by the protocol, the social planner's goal is to provide a constrained-optimal mechanism that minimizes disutility for the participants. We introduce the MINSLACK mechanism, a dynamic capacity first-come-first-served queue in which the amount of stake that can exit in a period depends on the number of previous exits and the consistency constraints. We show that MINSLACK is optimal when stakers equally value the processing of their withdrawal. When stakers values are heterogeneous, the optimal mechanism resembles a priority queue with dynamic capacity. However, this mechanism must reserve exit capacity for the future in case a staker with a much higher need for liquidity arrives. We conclude with a survey of known consistency constraints and highlight the diversity of existing exit mechanisms.

研究动机与目标

• 正式化动态验证者集合中质押协议安全性与参与者流动性之间的权衡。
• 解决尽管对安全性和实用性具有关键影响，但权益证明系统中退出队列设计仍缺乏正式处理的问题。
• 设计满足协议一致性与安全约束的受限最优机制，以最小化质押者的不便利性。
• 通过调研现有退出机制，识别现实协议中次优或过度僵化的方案，弥合理论与实践之间的鸿沟。

提出的方法

• 将退出队列问题形式化为受限优化任务，将安全要求建模为验证者集合演化的一致性约束。
• 提出 MINSLACK，一种有状态的先进先出队列，其中每个时期可提取的容量取决于先前的退出历史和协议约束。
• 通过将延迟带来的不便利性建模为时间敏感性的函数，将模型扩展至异质化质押者，从而导出优先级队列机制。
• 将异质化情形建模为马尔可夫决策过程（MDP），通过动态维克里-克拉克-格罗夫斯（VCG）机制推导出高效分配。
• 提出 PRIO-MINSLACK 作为 MINSLACK 的实用型按优先级付费变体，并提出 α-MINSLACK 以预留未来紧急退出的容量。
• 通过数值模拟比较不同机制的性能，量化不便利性和等待时间的减少。

实验结果

研究问题

• RQ1 当质押者具有同质化时间偏好且安全约束具有约束力时，优化权益证明区块链中退出队列的最优机制是什么？
• RQ2 当质押者对延迟的不便利性存在异质性，特别是部分参与者需要紧急流动性时，退出队列机制应如何重新设计？
• RQ3 基于历史退出模式和未来不确定性的动态容量分配，在不损害安全性的前提下，如何最小化系统整体不便利性？
• RQ4 在紧急退出请求呈现肥尾分布的背景下，机制应如何为未来高优先级退出预留容量？
• RQ5 现实世界中主要区块链（如以太坊）的退出机制在多大程度上与理论上的最优设计一致？

主要发现

• 已证明 MINSLACK 是同质化质押者情况下的受限最优机制，在验证者集合一致性约束下最小化了不便利性。
• 对于异质化质押者，优先级机制（如 PRIO-MINSLACK）通过允许时间敏感参与者付费加速退出，显著降低了整体不便利性，提升了社会福利。
• 最优机制必须为未来紧急请求预留退出容量，这一点由 α-MINSLACK 变体所证实，其在需求不确定下仍保持灵活性。
• 数值结果表明，与以太坊的固定时期队列等现有机制相比，MINSLACK 显著降低了平均等待时间。
• 研究发现，目前尚无已知的生产级区块链采用按优先级付费机制，尽管该机制在福利层面具有理论优势。
• 作者指出，当前现实世界的机制往往未能达到理论效率前沿，表明退出队列设计仍有巨大改进空间。