区块链去中心化程度衡量方法

⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 7（2021）278www.elsevier.com/locate/icteDQ：衡量区块链去中心化程度的两种方法Jaeseung Leea，Byungheon Leeb，Jaeyhun Jungc，Hojun Shimd，Hwangnam Kima，a韩国大学电气工程学院，首尔02841，大韩民国b首尔国立大学电气和计算机工程系，首尔08826，大韩民国c韩国首尔国立大学农业经济和农村发展系，首尔08826。d大韩民国，首尔07345，韩华生命新事业发展部接收日期：2021年3月23日;接收日期：2021年6月17日;接受日期：2021年8月2日在线预订2021年摘要区块链技术创新性地消除了对中介的需求，并通过点对点网络和分布式账本技术建立了一个无信任的信任系统。尽管系统的去中心化特征是从这种系统结构中衍生出来的，但区块链去中心化的具体程度仍然很难明确也就是说，确定是否去中心化的标准还没有很好地建立起来，也没有很好地反映现实世界。因此，我们提出了两种方法来衡量目前存在的区块链系统的去中心化程度：审查阻力和地理多样性。本文概述了每个分散商的含义，并解释了这些指数如何应用于用户保护方面c2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：区块链;去中心化商;分布式网络;隐私1. 介绍什么是去中心化？去中心化是区块链领域最常用的词之一，甚至它本身也经常被视为一种区块链。但也是最难定义的词[1]。在2008年，一位匿名的开发者Satoshi Nakamoto提出了一种名为比特币的加密货币，它使用区块概念和链接每个区块来解决信任问题[2]，这是分布式网络中的一个挑战。比特币问世后，人们意识到比特币使用的是区块链技术，并认为区块链技术可以消除对中间人的需求，通过在开放的网络中记录必要的信息来促进数字信任[3去中心化是区块链系统最重要的特征。这个词包含了经济、技术、哲学等复杂的概念。因此，有各种方法来定义它[7]。最受欢迎的方式就是∗ 通讯作者。电子邮件地址：tkxkd0159@korea.ac.kr（J. Lee），topkids123@snu.ac.kr（B.Lee），gadget0316@snu.ac.kr（J.Jung），joy. hanwha.com（H.Shim），hnkim@korea.ac.kr（H.Kim）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2021.08.008通过与中央集权的对比来定义系统。集中式系统是只有一个中心点的系统，该中心点有权决定系统从任何意义上说，去中心化系统都可以说是一个没有任何意义的系统，可以随心所欲地决定系统的状态，这意味着需要点对点的共识。不需要信任任何人，但用户可以信任系统，这被称为无信任信任系统。对于去中心化系统，用户不需要信任任何人，只需要信任系统。此外，这意味着对权力下放的衡量与衡量系统本身的可靠性有关。此外，权力下放可以从效用的角度进行不同的解释我们承认，去中心化系统可以提供用户隐私和系统的自主控制，这是消费者保护的基本特征[9]。因此，去中心化系统可以说是一个很好的客户保护系统。不过，还有一个问题。我们如何判断这个平台或网络是否分散和可靠？对于那些使用网络的人来说，确定这个网络是否是去中心化的，比去中心化的抽象概念更重要。2405-9595/2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。J. 李湾Lee，J.Jung等人ICT Express 7（2021）278279nn2.1. 审查阻力i=1i=1表1方程式中的符号符号描述方程DQ河DQ地质按地域多样性衡量的分散化指数（1）、（2）Hi第i个节点的哈希能力（一）DQcr， powDQ河 在PoW系统（一）SI第i个节点的份额（二）DQcr， posDQ河 在PoS系统中。（二）Nt的国家（三）N区块链节点所在的国家数量（三）ni属于第i个国家的节点数（三）DQgeo，目标所选平台的DQgeo（三）、（四）DQgeo，不包括当所有节点位于一个国家时，DQgeo（四）DQcr，等于当所有节点在整个国家平均分布时，DQgeo（四）在过去，共识协议和容错被用于评估去中心化的程度[10]。然而，这是有限度的，因为这只是事先评估。即使系统设计有良好的协议，它们也可能变得集中，这将使网络难以保证消费者保护，这取决于使用方向。为了解决这一问题，我们需要一个定量的方法来建立后评价标准。本文的组织结构如下。第2节描述了我们提出的设计的分散商（DQ）在两个方面和第3节显示了分析结果，使用这个设计的商。第四部分是本文的结论2. 分散商如导言所述，衡量权力下放程度的观点多种多样。因此，我们的范围已经缩小和细化到这样一个程度，即如果非恶意用户使用区块链系统，系统不应该产生违背用户意愿的结果。因此，我们设计了DQ，然后从消费者的角度将其按耐审查性和地理多样性进行划分，以定义最终价值。概率，这是网络参与者将数据加载到区块链中的过程，以适应每个共识算法的基尼系数。首先，如果我们看看工作量证明（PoW）[2]，区块创建权限由首先解决哈希难题的节点获得。因此，假设网络中的所有节点都具有相同的哈希能力，我们最终可以假设网络中每个人然而，由于这是一种将活性优先于安全性的算法，因此需要大量的计算能力来解决哈希难题，以弥补这一点。因此，为持续的网络运营提供激励是至关重要的。因此，这导致了具有集中哈希能力的矿池的出现。哈希能力越高，获得区块生成权限的概率就越高，这就意味着区块链网络有可能被哈希能力更高的个人或组织审查。因此，我们可以以递增累积的方式堆叠每个节点的哈希率以产生索引。指数越高，网络越接近分散化，范围从0到1。这可以表示为如下等式，（1 1Σ）在这一小节中，我们定义了权力下放的程度与抵制审查制度有关。现有中心化网络的一个严重问题是，我们的数据可能会被第三方（如中央机构）任意审查。最近一个值得注意的例子是Facebook在这种情况下，个人失去了判断信息正确性和做出自己选择的权利。为了解决这些问题，我们从审查抵抗力的角度讨论去中心化指数，并将其应用于每个平台，以评估哪个平台是更去中心化的网络，并允许用户基于此确定其进入网络公制假设极端的去中心化，它是个人对网络的整体意见的一致意见其中所有变量如表1所示。在其他情况下，权益证明（PoS）[12]家族有各种变体，但其基础是区块创建的概率与权益成比例增加。因此，如果网络中的所有节点都有相同的利益，它们就会收敛到完全去中心化。但是，在资本主义制度下，完全平等的分配局面是不可能的.因此，我们可以通过以递增累积的方式列出每个节点的硬币持有量来评估网络与去中心化的接近程度，这可以通过以下等式表示：（1 1Σ）加载这些数据。此外，极端集中化是对一个机构的独家审查。因此，可以通过应用块生成来导出去中心化商其中所有变量如表1所示。 代表权益证明（DPoS）[13]是为了提高每秒交易量（TPS）而创建的，类似于议会民主。在DQcr， pow=1− 2×2−nHi（一）DQcr， pos=1− 2×2−nSI（二）J. 李湾Lee，J.Jung等人ICT Express 7（2021）278280=geo、log2 Nt− logNt+1 Nti =1我，Nt表2比特币、以太坊的抗审查DQDQ类型比特币以太坊DQ河0.01100.0108换句话说，我们在设计去中心化索引时没有考虑这种算法，因为它旨在削弱去中心化并增加区块链三难困境中的可扩展性。实用拜占庭容错（PBFT）[14]家族也因为类似的原因而没有被考虑2.2. 地域多样性在这一小节中，我们定义了与地理多样性有关的权力下放程度。地理多样性是节点在各区域分布情况的一个指标。保持权力下放非常重要，因为如果网络的大多数节点位于同一个国家，该网络的可用性就得不到保证，可能取决于国家因此，如果我们假设每个国家的节点数量相同，我们可以通过将其设置为参考值来计算我们通过应用方差和重新缩放输出，根据地理多样性对分散式索引进行建模。此外，辅助系数的设计，以给予相应的权重，节点分布在不同的国家。该指数可以表示为：DQ地质目标=（2−logN+1Nt−logNt+1Nt）Nt （n−µ）2（3）DQ（DQgeo，excl−DQgeo，target）−DQgeo，equal.（四）DQgeo， excl−DQ geo， equal其中µ是节点总数除以国家总数，其他变量见表1。DQ地质图1.一、 BTC节点从最低到最高哈希的累积份额通过将DQgeo，目标在0和1之间。的率DQgeo越高，分布越广。3. 分析基于我们之前设计的去中心化指标，我们可以衡量几个区块链平台的去中心化程度。我们将其应用于比特币和以太坊，这是最多的平台。3.1. 审查阻力比特币和以太坊的薪酬体系是赢家通吃的结构。因此，这导致了99%的哈希能力集中在比特币的17个矿池中，而哈希能力集中在以太坊的16个矿池中[15，16]。图在图1和图2中，我们表示了从最低到最高哈希率的节点的累积份额平台此外，基于此计算的DQ值也可以在表2中看到。我们可以看到，由于散列功率3.2. 地域多样性为了计算DQgeo，我们根据联合国官方标准[17]将Nt设置为195。表3显示了基于[18，19]计算的DQgeo值。从这个角度来看，比特币比以太坊更分散。当我们从地域多样性的角度来看待去中心化时，我们发现它比审查阻力更高。实际上，有83个国家的比特币和108个国家的以太坊包括一个或多个节点。 图图3是用分区图可视化的图片，×J. 李湾Lee，J.Jung等人ICT Express 7（2021）278281图3.第三章。区 块 链 平 台 上 完 整 节 点 的 地理分布。表3比特币、以太坊的地理DQDQ类型比特币以太坊DQgeo，目标377.7091550.9375DQgeo，不包括561.7068788.1325DQgeo，相等0DQ地质0.32760.3010图二. 从最低到最高哈希率的ETH节点的累积份额。去中心化的程度容易把握。有一些国家的节点是集中的，但我们可以看到，其他节点是相当全面地分布在世界各地。4. 讨论我们提出了两种去中心化指标，并将其应用于普及的区块链平台。我们最具创新性的贡献是，我们尝试了一种量化的方法来处理权力下放的概念，这是一个抽象而又定性的领域。例如，Joe Lubin我们所提出的方法的优点是，它是数值上容易计算的基础上，并不难获得的数据。由于PoW和PoS是目前大多数区块链平台的共识方法，因此我们提出的方法允许用户评估去中心化程度，并可以使用该方法选择平台。我们提出的方法的局限性在于，这是所有的事后分析。虽然区块链网络设计者可以使用DQ来事后分析网络的去中心化程度，但在开始设计时很难将其用作初步分析。此外，在地理方法中，节点运行所在国家的国籍可能不匹配该节点所有者的国籍，这使得它不明确属于哪个区域。然而，我们认为，随着区块链生态系统在未来的成熟，我们可以在5. 结论本文提出了DQ两种定量方法。由于每个人都试图最大化自己的利益，我们已经确定了一个困境，即为分散目的而建立的分散系统会向集中收敛。换句话说，这种困境似乎很难解决，除非网络中的每个参与者都试图保持一个具有高度意识的去中心化系统。即使在这种困难的情况下，各种待开发的区块链平台也可以在服务运营过程中应用DQ，并从这些价值中获得反馈，以构建一个更加分散的结构。这些将作为J. 李湾Lee，J.Jung等人ICT Express 7（2021）278282好的里程碑，以保持区块链的版税。此外，消费者可以通过我们提出的DQ识别哪个平台更分散，并进行选择。总之，它将淘汰去中心化程度较低的区块链平台，最终形成整个区块链生态系统的良性循环。CRediT作者贡献声明Jaeseung Lee：写作-原始草稿，概念化，方法论，验证，软件，数据管理，可视化。李秉宪：概念化，调查。Jaey-Jung：数据管理，可视化。Hojun Shim：调查。Hwangnam Kim：资金获取，监督，验证，资源，写作竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作致谢这项工作得到了韩国科学和信息通信技术部（MSIT）的支持，在韩国信息通信技术规划评估研究所（IITP）监督的ITRC（信息技术研究中心）支持计划（IITP-2021-0-01835 ） 下 ， 以 及 韩 国 能 源 技 术 评 估 和 规 划 研 究 所（KETEP）和韩国贸易工业能源部（MOTIE）的能源技术人力资源计划（编号20204010600220）。引用[1] V. 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