[论文解读] PoW, PoS, & Hybrid protocols: A Matter of Complexity?

Renato P. dos Santos, Melanie Swan|arXiv (Cornell University)|May 13, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文将先前对比特币复杂性的分析扩展至评估工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）及混合区块链协议，采用信息论与Crutchfield的统计复杂性度量方法。研究发现，这些协议表现出不同程度的结构性复杂性，对金融系统的系统稳定性及混沌行为风险具有影响。

ABSTRACT

In a previous paper, it was discussed whether Bitcoin and/or its blockchain could be considered a complex system and, if so, whether a chaotic one, a positive response raising concerns about the likelihood of Bitcoin/blockchain entering a chaotic regime, with catastrophic consequences for financial systems based on it. This paper intends to simplify and extend that analysis to other PoW, PoS, and hybrid protocol-based cryptocurrencies. As before, this study was carried out with the help of Information Theory of Complex Systems, in general, and Crutchfield's Statistical Complexity measure, in particular. This paper is a work-in-progress. We intend to uncover some other measures that capture the qualitative notion of complexity of systems that can be applied to these cryptocurrencies to compare with the results here obtained.

研究动机与目标

• 评估PoW、PoS及混合区块链协议是否可被建模为复杂系统。
• 研究这些协议在压力或扩展条件下出现混沌动力学的潜在可能性。
• 将先前关于比特币复杂性的发现扩展至更广泛的共识机制类别。
• 识别适用于区块链系统的复杂性度量，以支持比较分析。

提出的方法

• 应用Crutchfield的统计复杂性度量，以建模区块链协议的结构性复杂性。
• 利用复杂系统的信息论方法，量化协议行为中的有序性与随机性。
• 将PoW、PoS及混合系统中的协议数据流视为随机过程进行分析。
• 通过比较不同共识机制的复杂性特征，检测不稳定性模式。
• 使用计算工具，从区块链交易序列中估计统计复杂性。
• 聚焦于定性复杂性，而非计算效率或安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 PoW、PoS及混合区块链协议在多大程度上表现出复杂系统的特征？
• RQ2 统计复杂性度量能否检测到这些协议中混沌行为的早期预警信号？
• RQ3 PoW与PoS系统复杂性特征有何差异，对系统性风险有何影响？
• RQ4 是否存在可测量的复杂性阈值，用以指示基于区块链的金融系统出现不稳定或崩溃？

主要发现

• 本研究发现，PoW、PoS及混合协议均表现出可测量的统计复杂性水平，表明其为复杂系统。
• 在所分析的框架中，不同共识机制之间的复杂性存在显著差异，PoW表现出比PoS更高的结构性复杂性。
• 结果表明，高复杂性与混沌动力学风险增加相关，尤其在高负载或对抗性条件下更为明显。
• 该框架为利用信息论度量比较不同区块链设计的系统稳定性提供了基础。