[论文解读] Social Choice Around the Block: On the Computational Social Choice of Blockchain

Davide Grossi|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用 4

一句话总结

本文主张计算社会选择（CC）为设计公平、稳健且具有策略激励相容性的区块链共识机制提供了关键的理论基础。它识别出若干核心挑战——随机化出块选择中的公平性、基于投票的共识中的操纵行为，以及基于信任机制中的Sybil攻击抵抗能力——并展示了CC概念如何以系统化且计算基础坚实的方式解决区块链设计的核心问题。

ABSTRACT

One of the most innovative aspects of blockchain technology consists in the introduction of an incentive layer to regulate the behavior of distributed protocols. The designer of a blockchain system faces therefore issues that are akin to those relevant for the design of economic mechanisms, and faces them in a computational setting. From this perspective the present paper argues for the importance of computational social choice in blockchain research. It identifies a few challenges at the interface of the two fields that illustrate the strong potential for cross-fertilization between them.

研究动机与目标

• 确立计算社会选择（CC）在解决区块链系统基本设计挑战中的相关性。
• 识别CC与区块链之间的关键接口点，特别是在涉及随机性、投票和信任机制的共识机制方面。
• 将区块链中的开放问题（如出块选择的公平性与Sybil抵抗）重新表述为社会选择理论中的经典问题。
• 通过展示CC提供形式化工具以分析和设计具有激励相容性的去中心化协议，倡导CC与区块链研究之间的相互促进。
• 突出基于CC原则的、尚未充分探索的研究机遇，包括信任机制、抽奖公平性及抗操纵性。

提出的方法

• 通过社会选择机制的视角分析现有区块链共识协议（例如PoW、PoS、Ripple/Stellar风格的信任网络）。
• 将区块链机制映射到经典CC概念：抽奖（随机选择）、投票（节点共识达成）以及信任系统（影响力传播）。
• 应用社会选择中的公平性标准（例如选择概率均等）来评估PoW和PoS中随机化出块选择的公平性。
• 研究基于投票的共识中的操纵风险，与社会选择理论中的策略性投票和控制行为进行类比。
• 利用虚假身份抗性（false-name-proofness）与权力指数理论评估信任机制，以量化节点影响力与Sybil抵抗能力。
• 采用非形式化、概念性的建模方法，将区块链挑战转化为CC问题，避免使用正式数学，同时保持理论严谨性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用计算社会选择原则，对PoW或PoS中的随机化出块选择公平性进行形式化定义并加以保障？
• RQ2 区块链中的基于投票的共识在多大程度上可被操纵？现有社会选择理论中关于策略鲁棒性的结果如何适用？
• RQ3 基于信任的共识协议能否设计为具备Sybil抵抗能力？成本身份机制或权力指数如何实现虚假身份抗性？
• RQ4 信任网络必须具备何种结构特性，才能确保共识安全并防止分叉？这些特性如何通过CC工具形式化？
• RQ5 在某些节点累积不成比例投票权的情况下，如何量化并去中心化去中心化共识中的影响力？

主要发现

• PoW和PoS中的随机化出块选择可借助社会选择标准（如选择概率均等）进行公平性评估，揭示出影响力分配潜在的失衡。
• 区块链中的基于投票的共识易受操纵，与经典投票系统类似，而CC提供了分析和缓解此类策略行为的工具。
• Ripple和Stellar等系统中的基于信任的共识机制，可借助虚假身份抗性概念进行Sybil抵抗分析，其中成本身份机制为系统稳健性提供了路径。
• 对信任网络施加结构约束（如要求信任集合重叠）是维持共识安全的必要条件，这些约束可借助图论与权力指数模型形式化。
• 社会选择理论中的权力指数可用于量化基于信任系统中节点的影响力，从而提供评估去中心化程度并识别事实上的中心化现象的方法。
• 将CC原则整合进区块链设计，可为共识协议中公平性、安全性与激励相容性的平衡提供系统化方法。