[论文解读] 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 11

一句话总结

本文证明，在无许可区块链中，若不存在Sybil成本（即单个实体运行多个节点的成本），则完全去中心化是不可能的。它表明，若无此类成本，实现良好去中心化的概率存在上界，且在资源不平等程度较高时趋近于零，揭示了当前区块链系统中去中心化与无信任设计之间存在根本性矛盾。

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.

研究动机与目标

• 正式定义并分析在无许可区块链中实现完全去中心化的条件。
• 研究为何PoW、PoS和DPoS系统中现有的激励机制即便经过设计改进，仍导致显著的中心化。
• 识别阻碍完全去中心化的核心障碍：无信任环境中缺乏Sybil成本。
• 建立在无Sybil成本系统中实现去中心化概率的理论上限。
• 提出：在不依赖可信第三方（TTP）的前提下分配Sybil成本，是实现良好去中心化的关键。

提出的方法

• 引入$(m,\varepsilon,\delta)$-去中心化的正式定义，其中$m$为活跃节点数量，$\varepsilon$控制权力比例公平性，$\delta$设定百分位数阈值。
• 将Sybil成本定义为单个实体运行多个节点与多个实体各自运行一个节点之间的成本差异。
• 证明：若存在Sybil成本，则无论共识协议为何，完全去中心化均可以概率1实现。
• 推导出在无Sybil成本时实现$(m,\varepsilon,\delta)$-去中心化的概率上界，其表达式为$f_\delta$（第$\delta$百分位数资源功率与最富有参与者资源功率之比）的函数。
• 分析当$f_\delta$较小时，上界趋近于零的含义，表明资源分配的高度不平等严重限制了去中心化。
• 运用博弈论推理与激励建模，表明理性行为者在缺乏对Sybil攻击的成本抑制机制时，不会自发组织成去中心化结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不依赖可信第三方（TTP）且无Sybil成本的前提下，能否在无许可区块链中实现完全去中心化？
• RQ2 在缺乏Sybil成本的系统中，实现良好去中心化的概率的理论上限是什么？
• RQ3 最富有与最贫穷参与者之间的资源不平等如何影响实现去中心化共识的可能性？
• RQ4 为何PoW、PoS和DPoS系统中现有的激励机制即便经过设计改进，仍导致高度中心化？
• RQ5 在区块链系统中，实现高度去中心化与避免依赖可信第三方之间是否存在根本性不相容？

主要发现

• 完全去中心化在无许可区块链中若无Sybil成本则不可能实现，理论证明了在缺乏此类成本时，实现高去中心化概率具有理论不可能性。
• 当无Sybil成本时，实现$(m,\varepsilon,\delta)$-去中心化的概率被上界限制，其上界为$f_\delta$（第$\delta$百分位数资源功率与最富有参与者资源功率之比）的函数。
• 当$f_\delta$较小时，去中心化概率的上界趋近于零，表明资源分配的高度不平等使去中心化几乎不可能实现。
• Sybil成本的存在可使完全去中心化以概率1实现，无论底层共识协议为何，因此它是实现理想去中心化的必要条件。
• 协议与数据分析的实证观察与理论模型一致，支持Sybil成本是去中心化关键促成因素的论断。
• 本文识别出一个根本性矛盾：实现良好去中心化需要Sybil成本，但在当前区块链系统中，不依赖TTP分配此类成本仍是一个未解决的挑战。