Proof-of-Greed Approach in the NXT Consensus

Abstract

A fundamental problem in distributed computing systems is to make the same decision on an issue. The consensus protocol describes a process to agree on some data value that is needed during computation. The work is devoted to development of the consensus algorithm based on the Nxt consensus protocol which can be implemented to blockchain systems with PoS (Proof-ofStake). PoS consensuses based on node balances, and unlike PoW (Proof-of-Work) methods, are environmentally friendly and more energy efficient. Nowadays such types of consensuses are getting more popular. However, they remain less scrutinized than PoW. Moreover, there are some attacks and threats that cannot be completely resolved under PoS consensuses, and in particular under the Nxt. In this article we propose a modification of the Nxt protocol which solves some problems of PoS in accordance with modern requirements. The asymmetric method was used to select the best Nxt consensus parameters for decreasing of the blocktime variance. This improves the performance and reliability of the entire blockchain system eliminating the risk of disruptions due to overflowing the transaction pool. For the Nxt consensus protocol researching, the mathematical simulating model was developed using Anylogic 8.4 software. Implementation of economic leverages (tokenomics), which we called Proof-of-Greed approach, allows to prevent some types of attacks, e.g. large stake attack, and to set a fair market-based transaction fee. The using of economic mechanisms to protect distributed systems allows to prevent a number of attacks that are resistant to cryptographic methods. But at the same time, the tokenomics of the system should be strictly consistent with the protocols for the functioning of all system objects, combining them into an integrated unitary ecosystem. Also, a payback period of harvesters was investigated within Proof-of-Greed protocol. The parameters of such approach for sustained operation of a network were obtained as a result of mathematical simulating with Anylogic 8.4 software. The Proof-of-Greed approach can be implemented not only in the Nxt consensus but in some other blockchain systems based on PoS consensuses.

Фундаментальна проблема у розподілених обчислювальних системах полягає у тому, щоб прийняти одне й те ж рішення щодо якого-небудь питання. Протокол консенсусу описує узгодження даних, необхідних під час такого процесу. Робота присвячена розробці алгоритму консенсусу, заснованого на протоколі Nxt, який може бути реалізований у системах блокчейн з PoS (Proof-of-Stake). Консенсуси типу PoS, засновані на балансах вузлів, та на відміну від методів PoW (Proof-of-Work), є більш екологічно чистими та енергоефективними. У наш час такі типи консенсусів стають все більш популярні. Проте вони залишаються менш ретельно вивченими, ніж PoW. Більше того, існують деякі атаки та загрози, які не можуть бути повністю вирішені за допомогою консенсусу PoS, і зокрема, Nxt консенсусом. У даній статті ми пропонуємо модифікацію протоколу Nxt, який вирішує деякі проблеми з PoS відповідно до сучасних вимог. Для вибору найкращих параметрів консенсусу Nxt, які зменшують дисперсію часу блоків, було використано асиметричний метод. Це підвищило продуктивність та надійність усієї блокчейн системи, усуваючи загрозу збоїв у роботі внаслідок переповнення пулу транзакцій. Для дослідження протоколу Nxt консенсусу була розроблена математична імітаційна модель з використанням програмного забезпечення Anylogic 8.4. Реалізація економічних важелів (токеномiка), яку ми називаємо підходом Proof-ofGreed, дозволяє попередити деякі види атак, наприклад, атаку вузлів з великим балансом та встановленню справедливої, ринково обґрунтованої плати за транзакцію. Застосування економічних механізмів захисту розподілених систем дозволяє запобігти ряду атак, стійких до криптографічних методів. Але при цьому токеноміка системи повинна строго узгоджуватися з протоколами функціонування всіх об'єктів системи, об'єднуючи їх в єдину інтегровану екосистему. Також було досліджено термін рентабельності вузлів, що створюють блоки у протоколі Proof-of-Greed. Параметри такого підходу для стійкого функціонування мережі були отримані за результатами математичного моделювання з програмним забезпеченням Anylogic 8.4. Метод Proof-of-Greed може бути реалізовано не тільки у Nxt консенсусі, а й у деяких інших блокчейн системах, що засновані на консенсусах типу PoS.

Фундаментальная проблема в распределённых вычислительных системах заключается в том, чтобы принять одно и то же решение по поводу какого-нибудь вопроса. Протокол консенсуса описывает согласование данных, необходимых во время такого процесса. Работа посвящена разработке алгоритма консенсуса, основанного на протоколе Nxt, который может буть реализован в системах блокчейн с PoS (Proof-of-Stake). Консенсусы типа PoS, основаны на балансах узлов, но в отличии от методов PoW (Proof-of-Work), является более экологически чистыми и энергоэффективными. В наше время такие типы консенсусов стают всё более популярными. Однако, они остаются менее тщательно изученными, чем PoW. Более того, существуют некоторые атаки и угрозы, которые не могут быть полностью разрешены с помощью консенсуса PoS, и в частности, Nxt консенсусом. В данной статье мы предлагаем модификацию протокола Nxt, который разрешает некоторые проблемы с PoS в соответствии с современными требованиями. Для выбора наилучших параметров консенсуса Nxt, которые уменьшают дисперсию времени блоков, был использован асимметричный метод. Это повысило производительность и надежность всей блокчейн системы, устраняя угрозу сбоев в работе в следствии переполнения пула транзакций. Для исследования протокола Nxt консенсуса была разработана математическая имитационная модель с использованием программного обеспечения Anylogic 8.4. Реализация экономических рычагов (токеномика), которую мы называем подходом Proof-of-Greed, позволяет предотвратить некоторые виды атак, например, атаку узлов с большим балансом и установлению справедливой, рыночно обоснованной платы за транзакцию. Применение экономических механизмов защиты распределенных систем позволяет предотвратить ряд атак, устойчивых к криптографическим методам. Но при этом токеномика системы должна строго согласовываться с протоколами функционирования всех объектов системы, объединяя их в единую интегрированную экосистему. Также был исследован срок рентабельности узлов, которые создают блоки в протоколе Proof-of-Greed. Параметры такого подхода для устойчивого функционирования сети были получены по результатам математического имитационного моделирования в программном обеспечении Anylogic 8.4. Метод Proof-of-Greed может быть реализован не только в Nxt консенсусе, но также и в некоторых других блокчейн системах, основанных на консенсусах типа PoS.