تسویه حساب بهینه دارایی بر اساس blockchains اثبات سهام

پروتکل اثبات سهام (POS) به دلیل مصرف بیش از حد انرژی و تولید بلوک آهسته مرتبط با پروتکل اثبات کار (POW) در شبکه های blockchain رونق می گیرد. از نظر تسویه حساب ، آیا پروتکل POS بهتر از POW عمل می کند؟ما یک مدل تسویه حساب معامله را بر اساس blockchain POS می سازیم و توضیح می دهیم که چگونه درآمد و هزینه های افزایش بر عملکرد تسویه حساب تأثیر می گذارد و یک عامل تسویه موفقیت آمیز (SSF) را ارائه می دهیم تا مشخص شود که آیا با توجه به اندازه بلوک و زمان بلوک موفقیت آمیز خواهد بود. علاوه بر این ، توسعه دهندگان سیستم می توانند اندازه بلوک و زمان بلوک را با توجه به SSF تنظیم کنند تا به بهترین عملکرد تسویه حساب دست یابند. سرانجام ، با استفاده از داده های تاریخی برای یک شبکه blockchain در دنیای واقعی ، مدل ما نشان می دهد که زمان بهینه بلوک ، میانگین زمان تسویه حساب ، میانگین هزینه تسویه حساب و تاخیر کل تسویه حساب POS 23. 41 ٪ ، 23. 29 ٪ ، 23. 23 ٪ ، 23. 31 ٪ است، به ترتیب ، کمتر از blockchain POW.

معرفی

سیستم های اطلاعاتی پایه و اساس تعداد زیادی از معاملات را انجام می دهند. فرآیندهای اصلی پس از تجارت کلید اصلی چرخه عمر تجارت و ارائه تأیید ، پاکسازی و تسویه معاملات است [1] ، که یک مؤلفه مهم در سیستم های اطلاعات مالی است. کل هزینه های سالانه پردازش پس از تجارت در سطح جهان 65-80 میلیارد دلار تخمین زده می شود. برای استاندارد ترین کلاس های دارایی - سهام و درآمد ثابت ، هزینه ها به 6-9 میلیارد دلار در سال می رسد ، با پتانسیل کاهش هزینه قابل توجهی برای سیستم های اطلاعاتی و صنعت مالی [[1] ، [2] ، [3]]. به عنوان یک مؤلفه مهم پردازش پس از تجارت ، تسویه حساب یک فرآیند تجاری است که به موجب آن دارایی ها در برابر پرداخت تحویل داده می شوند و معمولاً آخرین مرحله از یک چرخه تجارت کامل است. در صورت عدم رسیدگی به درستی ، خطر تسویه حساب می تواند منجر به خطر سیستمیک شود [4]. علاوه بر این ، انقلاب فناوری وب 3. 0 ، مانند DEFI (مالی غیر متمرکز) ، NFT (نشانه غیر قابل استفاده) و متاور ، معاملات مختلفی را شامل می شود که نیازهای جدیدی را برای زیرساخت ها ، به ویژه تسویه حساب انجام می دهد.

امروزه بیشتر تسویه حساب در بازارهای مالی مدرن از طریق واسطه ها انجام می شود. اگرچه تمرکز دارای مزایایی مانند سهولت نظارت است ، تمرکز بسیاری از معایب دارد. اول ، انتقال اطلاعات ناکارآمد است. از آنجا که چرخه عمر تجارت دارای واسطه های متعددی است ، کلیه انتشار اطلاعات باید از طریق گره مرکزی ارسال شود و منجر به تکثیر زیادی شود [5]. علاوه بر این ، یکپارچگی داده ها باید توسط مدیر مرکزی تأیید شود [6]. دوم ، تسویه حساب به دلیل مقدار زیادی از کار تکراری انجام شده ، پرهزینه است [1]. سوم ، فواصل زمانی برای حل و فصل نسبتاً طولانی ، معمولاً دو روز و حتی طولانی تر است. هر دو طرف معامله باید سوابق معامله جداگانه خود را برای آشتی حفظ کنند [3] ، که دلیل مهمی برای زمان طولانی تسویه حساب است. چهارم ، گره مرکزی گره تنها شکست تحت حمله است و با تهدیدهای مختلف امنیتی مانند خطر حضانت روبرو است. سرانجام ، زیرساخت های حل و فصل فعلی نسبتاً قدیمی است و خطرات امنیتی را القا می کند [7].

blockchain یک دفترچه توزیع شده است که به طور مداوم معاملات را با اضافه کردن بلوک به زنجیره ثبت می کند. blockchain می تواند تعامل همسالان به همسالان را در شبکه بدون در نظر گرفتن واسطه های شخص ثالث ، اطمینان از ایمنی ، کارآیی و محافظت از حریم خصوصی تسویه حساب ، که یکی از اساسی ترین و مهم ترین کارکردهای blockchain است ، تحقق بخشد [8،9]بشرعلاوه بر این ، blockchain می تواند هزینه های پرداخت مرزی ، معاملات اوراق بهادار و رعایت نظارتی را کاهش دهد. علاوه بر این ، blockchain یک چرخه تسویه حساب کوتاه تر با حل و فصل نزدیک به سرعت را تسهیل می کند [10]. این امر به این دلیل است که ذخیره کردن اطلاعات در یک قالب مداوم و استاندارد ، نیاز به آشتی داده ها را از هر دو طرف از بین می برد و از طریق قراردادهای هوشمند [11،12] اجرا می شود ، بنابراین از منابع هدر رفته جلوگیری می شود. علاوه بر این ، معاملات بر روی چندین دفترچه مساوی ثبت می شوند که نمی توانند با آنها دستکاری شوند و از خطرات متعدد مانند حمله محافظت می شوند. نکته آخر ، blockchain قابلیت همکاری بسیار خوبی دارد و می تواند موانع بین سیستم های مختلف را تجزیه کند [13]. بنابراین ، انتظار می رود blockchain روند فعلی پس از تجارت ، به ویژه سیستم تسویه معامله را به طور کامل تغییر دهد [13،14].

با این حال ، اجرای blockchain با چالش هایی مانند پروتکل اجماع ، سرعت تسویه حساب و امنیت روبرو است [15]. به عنوان روح شبکه blockchain ، مکانیسم اجماع اساساً امنیت ، در دسترس بودن و عملکرد سیستم کل سیستم blockchain را تعیین می کند [12،16]. بیشتر blockchain های بدون مجوز از پروتکل اجماع اثبات کار (POW) استفاده می کنند. بیت کوین ، اولین رمزنگاری جهان [17،18] ، از POW پیشنهاد شده توسط ناکاموتو استفاده می کند [19]. ایده اصلی POW اطمینان از سازگاری داده ها و امنیت اجماع از طریق رقابت قدرت محاسبات گره های توزیع شده است. این همچنین آن را به یک الگوریتم اجماع زنجیره ای عمومی ایمن و قابل اعتماد تبدیل می کند. با این حال ، مشکلات POW نیز آشکار است. منابع محاسباتی زیادی را مصرف می کند [20]. علاوه بر این ، رسیدن به اجماع مدت زمان زیادی طول می کشد ، و در نتیجه تولید بلوک آهسته و مقیاس پذیری ضعیف ، به این معنی که نمی تواند نقش اصلی در معاملات تجاری در دنیای واقعی داشته باشد.

برای حل مشکلات اجماع POW ، مکانیسم اجماع اثبات سهام (POS) به وجود آمد ، که دومین اجماع blockchain بدون اجازه جریان اصلی است [[21] ، [22] ، [23] ، [24] ، [25]]. اجماع POS برای اولین بار در سال 2011 در انجمن BitCointalk (www. bitcointalk. org) ظاهر شد و برای اولین بار در PeerCoin توسط [26] اجرا شد. چندی پیش ، MIT Ethereum Pos را به عنوان پیشرفت برتر فناوری 2022 ذکر کرد. در مقایسه با POW ، اجماع POS سرعت بالاتری برای دستیابی به اجماع دارد و نیازی به سخت افزار گران قیمت و مصرف انرژی برای معدن ندارد [21]. از آنجا که POS مقرون به صرفه تر است ، اعتبار سنج های بیشتری می توانند در فرآیند اجماع شرکت کنند ، به این معنی که می تواند سطح افزایش بهره وری انرژی ، عدم تمرکز ، امنیت و مقیاس پذیری را افزایش دهد [27]. معمولاً ، اعتبار سنج ها بازده نسبتاً بالایی برای استیک دریافت می کنند. اگر آنها فقط به طور منفعلانه نشانه های POS را نگه دارند و آنها را نزنند ، در عوض مالیات نعناع را پرداخت می کنند ، که به نفع آنها نیست. بنابراین ، این امر دارندگان توکن را به سمت تأیید شبکه سوق می دهد ، که این امر بیشتر به رشد و امنیت شبکه POS کمک می کند.

مکانیسم اجماع PoS به سرعت مورد استفاده قرار گرفته است، حتی با وجود اختلافاتی که پیرامون آن وجود داشته است. Houy [28] و برخی دیگر مسائلی مانند هیچ چیز در خطر نیست، یا امکان بازسازی بی دردسر چندین بلوک در یک حمله موفقیت آمیز اکثریت به یک سیستم PoS را می بینند، اما جریمه اعتبارسنجی از طریق سپرده های امنیتی به عنوان یک راه حل قابل اعتماد در نظر گرفته می شود. این مشکل هیچ چیز [29،30]. علاوه بر این، اعتبار سنجی هایی که بلاک چین را به روز می کنند، ارزش سکه را به گونه ای کاهش می دهند که همچنان در اختلاف نظر باقی می ماند و بنابراین هزینه ای را به خود تحمیل می کند، که برای اعتبارسنجی در یک تنظیمات PoS مناسب نیست [27]. برخی از محققان مانند فانتی و همکاران.[31] معتقدند که PoS انباشت سکه ها را تشدید می کند و منجر به وضعیتی می شود که ثروتمندان ثروتمندتر می شوند. روشو و صالح [32] و صالح [27] ثابت می کنند که پروتکل PoS به ثروتمندتر شدن ثروتمندان منجر نمی شود، بلکه به سهام سرمایه گذاران پایدار منجر می شود. پروژه های بلاک چین در این صنعت شکل گرفته اند. تزوس [33] یک شبکه بلاک چین خود اصلاح کننده با قراردادهای هوشمند کامل تورینگ است. Cardano [34] از PoS با ضمانت های امنیتی دقیق برای دستیابی به پایداری محیطی استفاده می کند. اتریوم [35]، یکی از شناخته شده ترین پلتفرم های فناوری قراردادهای هوشمند بلاک چین، به تازگی «ادغام» را به پایان رسانده و از PoW به PoS ارتقا یافته است.

حجم وسیعی از ادبیات اجماع را توصیف می کند و مقایسه بین اجماع های مختلف را مورد بحث قرار می دهد [[36]، [37]، [38]]. با این حال، ادبیات کمی در مورد مدل سازی نظری و مطالعات تجربی تسویه معاملات بر اساس مکانیسم های اجماع خاص وجود دارد. Chiu و Koeppl [39] بلاک چینی را در نظر می گیرند که تحویل در مقابل پرداخت را تضمین می کند و از طریق یک پروتکل PoW عمل می کند، نشان می دهد که تسویه حساب مبتنی بر بلاک چین امکان پذیر است و سود حاصل از آن از نظر هزینه های تسویه در محدوده 0. 01٪ تا 0. 04٪ است. در مقایسه با سیستم های تسویه میراث موجود. صالح [27] اولین مدل رسمی اقتصادی Proof-of-Stake را ارائه می کند و حمله دوگانه را در پروتکل PoW و PoS تجزیه و تحلیل می کند. بیایس و همکاران[40] اثرات هماهنگی روی چنگال ها و تعدد تعادل را در نظر بگیرید و چندین موقعیت واقعی چنگال ها را نشان دهید. ایزلی و همکاران[41] یک مدل تئوری بازی برای توضیح تکامل کارمزدهای تراکنش بیت کوین و برجسته کردن نقشی که آنها ایفا می کنند، ایجاد کنید.

با وجود این مطالعات ، هنوز هم شکافی در ادبیات در مورد مدل و مطالعه تجربی تسویه حساب بر اساس blockchain POS وجود دارد [16]. به بهترین دانش ما ، هیچ تحقیق قابل توجهی گزارش نشده است که تأثیر درآمد و هزینه های افزایش و هزینه های عملکرد blockchain POS را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده است. برای پر کردن شکاف فوق ، ما باید بنیاد نظری موجود را ترسیم کنیم ، عمدتاً از جمله تئوری تسویه حساب بر اساس blockchain POW [19،39] ، الگوی اقتصادی POS [27] ، حمله دو برابر و چنگال های درونblockchain [27،40،42] ، و طراحی هزینه معاملات [41،43]. پاسخ دادن به سؤالات تحقیقاتی اکتشافی زیر ضروری است: (1) چگونه می توان فرایند تسویه حساب را بر اساس blockchain POS مدل سازی کرد؟(2) چگونه می توان کاربردی برای اعتبار سنج را از جمله درآمد و هزینه های اعتبار سنجی توصیف کرد؟(3) شرایط برای حل و فصل بهینه blockchain POS چیست؟آیا راهی آسان برای تعیین آن وجود دارد؟(4) عملکرد تسویه حساب POS از POW چقدر بهتر است؟(5) چگونه می توان این یافته ها را به صورت تجربی تأیید کرد؟

ما این شکاف را با ساختن یک مدل تسویه حساب معامله بر اساس blockchains POS پر می کنیم و به تصویر می کشیم که چگونه درآمد و هزینه های سکه های بر روی عملکرد تسویه حساب تأثیر می گذارد. ما سپس یک فاکتور تسویه موفقیت آمیز (SSF) را پیشنهاد می کنیم که می تواند به عنوان یک شاخص برای قضاوت در مورد احتمال چنگال و تنظیم کننده برای تنظیم اندازه بلوک بهینه و زمان بهینه بلوک تلقی شود. علاوه بر این ، ما شرایطی را که در آن POS در تسویه حساب بالاتر از POW است و چقدر بهتر خواهد بود ، استنباط می کنیم. علاوه بر این ، از آنجا که موسسات تسویه حساب در حال حاضر به دنبال بهترین راه حل های ممکن برای blockchain هستند ، هنوز هیچ داده تجربی برای اجرای تجزیه و تحلیل تجربی دقیق در دسترس نیست [5]. بر اساس تنظیمات پارامتر [39] ، ما از داده های توکن واقعی blockchains POS برای مطالعه تجربی استفاده می کنیم. سرانجام ، ما تست های استحکام و تجزیه و تحلیل حساسیت را برای تأیید نتایج تجربی انجام می دهیم.

بقیه مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. بخش 2 به طور خلاصه ادبیات مربوطه را مرور می کند. بخش 3 محیط تجارت تک دوره ای را تعیین می کند. بخش 4 مدل Staking را برای پروتکل POS می سازد. بخش 5 شرط نظری را برای حل و فصل موفقیت آمیز توصیف می کند و طراحی بهینه از اندازه بلوک و زمان بلوک را ارائه می دهد. بخش 6 به طور تجربی نتایج نظری را با داده های Tezos (XTZ/USDT) تأیید می کند. بخش 7 پیامدهای نظری ، پیامدهای عملی ، محدودیت ها و مسیرهای تحقیق آینده را ارائه می دهد. در بخش 8 ، مقاله را نتیجه می گیریم. سرانجام ، ما با استفاده از داده های Cardano (ADA/USDT) در پیوست A5 ، یک سری از چک های استحکام را انجام می دهیم.

قطعه قطعه

پرداخت ، پاکسازی و تسویه حساب

بیشتر مقالات موجود وضعیت فعلی امور مربوط به پرداخت ، پاکسازی و تسویه حساب را توصیف می کنند و چه چیزی باعث تغییر در تصویب blockchain خواهد شد [7]. Khapko و Zoican [10] پیشنهاد می کنند که دفترچه های توزیع شده می توانند تسویه حساب در زمان واقعی و اجرای زنجیره های تسویه حساب انعطاف پذیر را تسهیل کنند ، که باعث بهبود کیفیت بازار می شود. Priem [5] مزایا و خطرات blockchain را برای پاکسازی و تسویه اوراق بهادار مبادله ای و OTC خلاصه می کند. بچ و همکاران.[44] توصیف

محیط تجارت

برای اینکه تنظیمات معاملات به طور کلی و واضح تر باشد ، ما با یک مدل معامله تک دوره ای شروع می کنیم که فقط خریداران و فروشندگان را بر اساس Chiu و Koeppl شامل می شود [39]. برای سهولت در مقایسه مدل ، ما سعی می کنیم فرضیات مشابهی را انجام دهیم و از همان یادداشت های متغیر مانند [39] استفاده کنیم. ما فرض می کنیم که خریداران و فروشندگان ریسک پذیر هستند [55] و یک دارایی را تجارت می کنند. هر دارایی سود سهام را ارائه می دهد که توسط δ مشخص می شود و واریانس آن σ δ 2 است. در T = 0 ، فروشنده دارای یک دارایی است و حاشیه ای دارد

طراحی اساسی blockchain

طراحی تسویه حساب blockchain به دو عامل بستگی دارد - زمان بلوک δ و اندازه بلوک b. زمان بلوک δ فاصله زمانی بین هر بلوک تولید شده توسط blockchain و اندازه بلوک B تعداد کل معاملات موجود در یک بلوک واحد است. دوره معاملات شامل N ¯ subperiod های گسسته متوالی ، n = 1 ،… ، n ¯ و طول هر دوره زیرزمینی زمان بلوک است. می توانیم ببینیم که وقتی اندازه بلوک ثابت باقی می ماند ، فرآیند به روزرسانی blockchain

حل و فصل موفقیت آمیز بدون چنگال

از آنجایی که بلاک چین یک سیستم مبتنی بر شبکه همتا به همتا است، انتشار بلوک با تاخیر مواجه می شود. با تولید مستقل بلوک ها بین گره ها و استخراج مخفی، بلوک ها ممکن است تقریباً به طور همزمان تولید شوند [40]. در این مرحله، ممکن است دو زنجیره به طور همزمان در سیستم وجود داشته باشد. به این معنا که فورک واگرایی بین گره ها در هنگام تولید بلوک بعدی است و مهاجم شانسی می تواند از آن برای حذف تراکنش اصلی استفاده کند [42].

شایان ذکر است که

تحلیل تجربی

برای تأیید نتایج تحلیلی قبلی، می خواهیم ببینیم که چگونه تغییرات در پارامترهای تراکنش ممکن است با تجزیه و تحلیل داده های قیمت واقعی ارزهای دیجیتال بر طراحی و عملکرد بلاک چین بهینه تأثیر بگذارد. سوال جالب دیگر این است که برای پروتکل PoW یا PoS کدام عملکرد تسویه بهتری دارد؟

ما از داده های دقیقه ای از Kaiko، ارائه دهنده داده های بازار قیمت دارایی های دیجیتال که در سال 2014 تأسیس شد، استفاده می کنیم. ما انتخاب می کنیم که داده های یکی از بالغ ترین و پذیرفته شده ترین PoS ها را مطالعه کنیم.

مفاهیم نظری

این مطالعه چند کمک نظری به ادبیات ارائه می دهد. ابتدا، ادبیات تسویه را با ساختن یک مدل تسویه تراکنش بر اساس بلاک چین PoS غنی می کنیم. اگرچه تسویه تراکنش یکی از اساسی ترین عملکردهای بلاک چین است که توسعه DeFi، NFT و Metaverse را بسیار تسهیل می کند، هنوز درک نظری روشنی از مکانیسم تسویه بلاک چین PoS وجود ندارد. ما بر چگونگی مدل سازی فرآیند تسویه حساب و چگونگی آن تمرکز می کنیم

نتیجه

بر اساس اجماع PoS، ما یک تحلیل مدل سازی از تسویه تراکنش دارایی مبتنی بر بلاک چین انجام می دهیم، که نشان می دهد چگونه درآمد اعتبارسنجی و هزینه های استقرار سکه ها بر عملکرد تسویه تأثیر می گذارد. ما مدل را با استفاده از داده های قیمت گذاری سطح حداقل Tezos (XTZ/USDT) و Cardano (ADA/USDT) در ماه مارس و نوامبر ۲۰۲۰ آزمایش می کنیم، که سناریوهای افزایش سرسام آور، افت شدید و نوسان قیمت سکه را پوشش می دهد که از یافته های نظری ما پشتیبانی می کند.

سهم اصلی ما پیشنهاد موفق است

بیانیه مشارکت نویسنده CRediT

چائو لی: مدیریت داده، روش شناسی، نوشتن پیش نویس اصلی، نوشتن بررسی و ویرایش. لی وانگ: مفهوم سازی، کسب سرمایه. هایجون یانگ: مفهوم سازی، روش شناسی، نگارش بررسی و ویرایش، نظارت.

اعلامیه منافع رقابتی

این مقاله هیچ علاقه مالی برای گزارش ندارد.

سپاسگزاریها

این تحقیق تا حدی توسط برنامه ملی تحقیق و توسعه ملی چین (شماره کمک مالی 2019yfb1404600) پشتیبانی شد.

Chao Li در حال حاضر دکتری است. کاندیدای علوم و مهندسی مدیریت (مهندسی مالی) در دانشکده اقتصاد و مدیریت ، دانشگاه بیهانگ ، پکن ، چین. علایق تحقیق اصلی وی در blockchain ، cryptocurrency ، مالی غیر متمرکز ، FinTech ، بازارهای مالی ، استراتژی سرمایه گذاری ، مدیریت ریسک مالی و مدیریت انرژی نهفته است. کار وی در مجلات دانشگاهی از جمله نامه های تحقیقاتی مالی ، تبدیل انرژی و مدیریت و انرژی منتشر شده است.< SPAN> این تحقیق تا حدی توسط برنامه ملی تحقیق و توسعه ملی چین پشتیبانی شد (شماره کمک هزینه 2019yfb1404600).