[论文解读] Comparison of Decentralization in DPoS and PoW Blockchains

Chao Li, Balaji Palanisamy|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文使用香农熵量化算力与权益分配，比较比特币（PoW）与斯蒂姆（DPoS）的去中心化程度。研究发现，尽管比特币在主要矿工中更具去中心化特征，但整体而言斯蒂姆的去中心化程度更高，表明两种系统在不同指标下均无明显优劣之分。

ABSTRACT

Decentralization is a key indicator for the evaluation of public blockchains. In the past, there have been very few studies on measuring and comparing the actual level of decentralization between Proof-of-Work (PoW) blockchains and blockchains with other consensus protocols. This paper presents a new comparison study of the level of decentralization in Bitcoin and Steem, a prominent Delegated-Proof-of-Stake (DPoS) blockchain. Our study particularly focuses on analysing the power that decides the creators of blocks in the blockchain. In Bitcoin, miners with higher computational power generate more blocks. In contrast, blocks in Steem are equally generated by witnesses while witnesses are periodically elected by stakeholders with different voting power weighted by invested stake. We analyze the process of stake-weighted election of witnesses in DPoS and measure the actual stake invested by each stakeholder in Steem. We then compute the Shannon entropy of the distribution of computational power among miners in Bitcoin and the distribution of invested stake among stakeholders in Steem. Our analyses reveal that neither Bitcoin nor Steem is dominantly better than the other with respect to decentralization. Compared with Steem, Bitcoin tends to be more decentralized among top miners but less decentralized in general. Our study is designed to provide insights into the current state of the degree of decentralization in DPoS and PoW blockchains. We believe that the methodologies and findings in this paper can facilitate future studies of decentralization in other blockchain systems employing different consensus protocols.

研究动机与目标

• 评估并比较工作量证明（PoW）与权益证明（DPoS）区块链的实际去中心化水平。
• 解决PoW与DPoS共识机制之间去中心化比较研究的缺乏问题。
• 测量斯蒂姆中利益相关者的实际权益分配，而不仅限于见证人分布，以反映DPoS系统中的真实去中心化程度。
• 应用香农熵作为量化指标，用于比较不同区块链架构的去中心化程度。
• 为未来关于新兴区块链协议去中心化研究提供方法论见解与实证发现。

提出的方法

• 本研究使用来自BTC.com API的数据，计算比特币中矿工之间算力分布的香农熵。
• 利用来自斯蒂姆区块链及交互式API的数据，测量每个利益相关者实际投入的权益。
• 分析斯蒂姆DPoS机制中的权益加权选举过程，以理解投票权如何转化为见证人选择。
• 将香农熵应用于两种分布——比特币的算力与斯蒂姆的权益——以量化去中心化水平。
• 通过比较不同排名区间（如前10%、前50%）的熵值，评估在不同聚合层级下的去中心化程度。
• 该方法论使基于真实世界权益与算力分布，对PoW与DPoS区块链的去中心化程度进行直接、量化的比较成为可能。

实验结果

研究问题

• RQ1 当以算力与权益分配分布来衡量时，比特币（PoW）的去中心化水平与斯蒂姆（DPoS）相比如何？
• RQ2 斯蒂姆等DPoS区块链中的权益加权选举机制在多大程度上影响了系统的实际去中心化程度？
• RQ3 DPoS区块链固有中心化的假设是否得到权益分配实证数据的充分支持？
• RQ4 聚合层级的选择（如前10%与前50%）如何影响PoW与DPoS系统去中心化的感知程度？
• RQ5 香农熵能否作为量化不同共识协议去中心化程度的可靠且可比指标？

主要发现

• 比特币在主要矿工中表现出更高的香农熵，表明其在主导算力层级上更具去中心化特征。
• 当考虑所有矿工时，比特币算力分布的整体熵低于斯蒂姆权益分布的熵，表明斯蒂姆在更广泛群体中更具去中心化特征。
• 斯蒂姆的权益分布在整个利益相关者群体中表现出更高的熵，表明其控制机制比比特币的矿池集中化更为均衡。
• 本研究揭示，比特币与斯蒂姆在所有指标下均无明显去中心化优劣之分：比特币在主要参与者中占优，而斯蒂姆在整体分布中占优。
• 研究结果挑战了DPoS天然不如PoW去中心化的假设，表明当权益广泛分布时，基于权益的治理可实现高度去中心化。
• 所提出的基于真实权益与算力分布的香农熵方法论，为评估多样化区块链系统的去中心化程度提供了稳健且可比的框架。