Game-theoretical approach for the study of Blockchain's Robustness
Approche Théorie des jeux pour l'Étude de la Robustesse des Blockchains Game-theoretical approach for the study of Blockchain's Robustness
Résumé
Blockchains have sparked global interest in recent years, gaining importance as they increasingly influence technology and finance.This thesis investigates the robustness of blockchain protocols, specifically focusing on Ethereum Proof-of-Stake. We define robustness in terms of two critical properties: Safety, which ensures that the blockchain will not have permanent conflicting blocks, and Liveness, which guarantees the continuous addition of new reliable blocks.Our research addresses the gap between traditional distributed systems approaches, which classify agents as honest or Byzantine (i.e., malicious or faulty), and game-theoretic models that consider rational agents driven by incentives. We explore how incentives impact the robustness with both approaches.The thesis comprises three distinct analyses. First, we formalize the Ethereum PoS protocol, defining its properties and examining potential vulnerabilities through a distributed systems perspective. We identify that certain attacks can undermine the system's robustness. Second, we analyze the inactivity leak mechanism, a critical feature of Ethereum PoS, highlighting its role in maintaining system liveness during network disruptions but at the cost of safety. Finally, we employ game-theoretic models to study the strategies of rational validators within Ethereum PoS, identifying conditions under which these agents might deviate from the prescribed protocol to maximize their rewards.Our findings contribute to a deeper understanding of the importance of incentive mechanisms for blockchain robustness and provide insights into designing more resilient blockchain protocols.
Les blockchains ont suscité un intérêt mondial ces dernières années, prenant de plus en plus d'importance à mesure qu'elles influencent les technologies et la finance. Cette thèse explore la robustesse des protocoles blockchain, en se concentrant spécifiquement sur Ethereum Proof-of-Stake (PoS). Nous définissons la robustesse en termes de deux propriétés essentielles : la sécurité, qui garantit que la blockchain n'aura pas de blocs conflictuels permanents, et la vivacité, qui assure l'ajout continu de nouveaux blocs fiables.Notre recherche aborde l'écart entre les approches traditionnelles des systèmes distribués, qui classifient les agents comme étant soit honnêtes, soit byzantins (i.e., malveillants ou défaillants), et les modèles de théorie des jeux qui considèrent les agents rationnels motivés par des incitations. Nous explorons comment les incitations impactent la robustesse en utilisant les deux approches.La thèse est composé de trois analyses distinctes. Nous commençons par formaliser le protocole Ethereum PoS, définissant ses propriétés et examinant les vulnérabilités potentielles du point de vue des systèmes distribués. Nous identifions certaines attaques qui peuvent compromettre la robustesse du système. Ensuite, nous analysons le mécanisme de fuite d'inactivité, une caractéristique clé d'Ethereum PoS, en soulignant son rôle dans le maintien de la vivacité du système lors de perturbations du réseau, mais au détriment de la sécurité. Enfin, nous utilisons des modèles de théorie des jeux pour étudier les stratégies des validateurs rationnels au sein d'Ethereum PoS, en identifiant les conditions dans lesquelles ces agents pourraient s'écarter du protocole prescrit pour maximiser leurs récompenses.Nos résultats contribuent à une meilleure compréhension de l'importance des mécanismes d'incitation pour la robustesse des blockchains et donnent des pistes pour concevoir des protocoles blockchain plus résilients.
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