Analysis of reward sharing schemes in proof of stake blockchains

Abstract

Τα σχήµατα ϰατανοµής ανταµοιβών αποτελούν βασιϰό στοιχείο των αλυσίδων Proof of Stake (PoS), ϰαθώς ϰαθορίζουν τη δυναµιϰή σχηµατισµού των pools ϰαι επηρεάζουν τη συνολιϰή αποϰέντρωση του διϰτύου. Σε αυτήν τη διπλωµατιϰή εργασία, µελετάµε διάφορους µηχανισµούς ϰατανοµής ανταµοιβών, εστιάζοντας στα σχήµατα αναλογιϰής ϰατανοµής, αναλογιϰής ϰατανοµής στο τετράγωνο ϰαι αναλογιϰής ϰατανοµής στη ρίζα. Ο στόχος µας είναι να ϰατανοήσουµε πώς αυτά τα µοντέλα επηρεάζουν την ισορροπία των staking pools ϰαι τη συνολιϰή ϰατανοµή του stake στο δίϰτυο. Για να εξετάσουµε αυτές τις επιδράσεις, αναπτύσσουµε ένα θεωρητιϰό µοντέλο παιγνίων που περιγράφει τη στρατηγιϰή συµπεριφορά των συμμετεχόντων στη διαδιϰασία staking. Μέσω πειραµάτων ϰαι προσοµοιώσεων, αναλύουµε πώς ϰάθε σχήµα ϰατανοµής ανταµοιβών επηρεάζει τη σταθερότητα των pools, την ισορροπία µεταξύ τους ϰαι αν είναι δυνατόν να επιτευχθεί µια δίϰαιη ϰαι βιώσιµη ϰατανοµή του stake. Επιπλέον, εξετάζουµε αν οι PoS αλυσίδες θα πρέπει να ενσωµατώνουν ένα προϰαθορισµένο σχήµα ανταµοιβών ή αν είναι προτιµότερο να επιτρέπεται στα pools να ϰαθορίζουν τους διϰούς τους µηχανισµούς διανοµής. Τα αποτελέσµατα της παρούσας µελέτης προσφέρουν χρήσιµες πληροφορίες σχετιϰά µε τη δυναµιϰή ισορροπίας στα staking pools, αναδειϰνύοντας τους µηχανισµούς µε τους οποίους διάφορα µοντέλα ανταµοιβών επηρεάζουν τη συγϰέντρωση συμμετοχών ϰαι τον βαθμό αποϰέντρωσης. Η ανάλυση αυτή συνεισφέρει στη βαθύτερη ϰατανόηση των επιπτώσεων που έχουν διαφορετιϰές σχεδιαστιϰές επιλογές στην ασφάλεια, τη διϰαιοσύνη ϰαι τη σταθερότητα των Proof of Stake συστηµάτων.

Reward sharing schemes are a foundational component of Proof of Stake (PoS) blockchains, and they are vital for staking pool formation mechanisms as well as for general network decentralization. This thesis analyzes various mechanisms for reward sharing—i.e., proportional, proportional-to-square, and proportional-to-square-root designs—with an objective to study their impact on the equilibrium value of staking pools and participants’ stake distribution. To make this analysis manageable, we construct a game-theoretic model that captures the strategic decision-making processes of staking pool participants to join or form staking pools. We investigate through large-scale simulations how different reward-sharing protocols affect pool stability, stake distribution, and whether a decentralized and fair equilibrium can be reached. Furthermore, we observe whether or not PoS blockchains have to undertake predefined reward sharing schemes or permit pools to establish their very own distribution strategies. Our findings provide precious insights into how such schemes have an effect on community decentralization and pool balance. This analysis highlights the trade-offs of each reward scheme, offering theoretical and empirical insight into their implications for decentralization and system stability. The findings may inform the development of more equitable and sustainable reward structures in future PoS blockchain models.