[论文解读] Staking Pools on Blockchains
本文采用博弈论框架对权益证明区块链中的质押池形成进行建模，分析了收益分配规则对区块链安全性和公平性的影响。研究证明了均衡的存在性与唯一性，并表明，收益竞争可防止恶意参与者主导质押池，而收益固定则因诚实参与者的搭便车行为导致系统性失败。
On several proof-of-stake blockchains, agents engaged in validating transactions can open a pool to which others can delegate their stake in order to earn higher returns. We develop a model of staking pool formation in the presence of malicious agents and establish existence and uniqueness of equilibria. We then identify potential and risk of staking pools. First, allowing for staking pools lowers blockchain security. Yet, honest stake holders obtain higher returns. Second, by choosing welfare optimal distribution rewards, staking pools prevent that malicious agents receive large rewards. Third, when pool owners can freely distribute the returns from validation to delegators, staking pools disrupt blockchain operations, since malicious agents attract most delegators by offering generous returns.
研究动机与目标
- 在存在恶意参与者的情况下，对权益证明区块链中的质押池形成进行建模。
- 分析不同的收益分配机制——收益固定与收益竞争——对区块链安全性和参与者激励的影响。
- 确定质押池增强或损害区块链安全性和公平性的条件。
- 建立质押池形成博弈中均衡的存在性与唯一性。
- 评估收益分配规则对区块链中诚实与恶意验证者占比的影响。
提出的方法
- 形式化一个包含诚实与恶意参与者的质押池形成博弈论模型，其中参与者选择是否运行或委托至池。
- 将区块链建模为一种机制，其中区块提议者按质押比例选择，收益根据池规则分配。
- 引入两种设计机制：收益固定（池所有者与委托者之间固定收益分成）与收益竞争（池所有者在收益分成上展开竞争）。
- 采用连续体模型，对具有无穷小测度的参与者推导均衡存在性与唯一性的解析条件。
- 应用切尔诺夫集中不等式，将结果扩展至有限但数量庞大的参与者离散设置。
- 推导出正均衡存在的阈值条件，表明当 c* = 0 时，λ ≥ m/(n + m) 是必要条件。
实验结果
研究问题
- RQ1在存在恶意参与者的情况下，质押池在何种条件下存在并形成稳定均衡？
- RQ2池所有者之间的收益竞争相较于收益固定，如何影响区块链安全性？
- RQ3运行池的成本在决定诚实参与者是否选择组建池方面起什么作用？
- RQ4是否可以设计收益分配规则，以防止恶意参与者获得不成比例的奖励？
- RQ5与有限参与者离散模型相比，该模型的连续体近似在均衡结果方面表现如何？
主要发现
- 在收益固定机制下，均衡中无诚实参与者运行池，导致区块链因个体行动影响可忽略（测度为零）而出现中断。
- 在收益竞争机制下，存在唯一均衡，其中诚实参与者仅在收益份额 λ 满足 λ ≥ m/(n + m) 时才会组建池，从而确保正向参与。
- 模型表明，允许质押池可提高诚实持有者的回报，但若治理不当，可能降低区块链安全性。
- 在福利优化的收益分配下，可防止恶意参与者获得高额奖励，从而提升系统韧性。
- 离散模型近似验证了连续体结果，表明在 n 足够大时，均衡条件对有限参与者数量具有鲁棒性。
- 分析表明，收益竞争相比收益固定能带来更优的安全结果，因其能对齐激励并防止诚实参与者的搭便车行为。
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