A deep dive into Ethereum's PoS transition: protocol design choices and their empirical unexpected limitations

Abstract

(English) The advent of the internet, marked by pivotal developments such as the launch of Arpanet and the standardization of HTTP, has irrevocably changed the fabric of modern society. Centralized platforms like Microsoft, Google, Apple, and Amazon have dominated this digital landscape, offering many services ranging from cloud computing to online storage. However, the centralized nature of these services has raised significant concerns regarding user privacy, data integrity, and the potential for censorship. In response to these issues, the open-source community has explored peer-to-peer alternatives, notably in the realm of distributed file systems, ledgers, and blockchain technology. Blockchains, popularized by the emergence of Bitcoin, promote a democratized service model that challenges the centralized status quo. Yet, they are not without their own challenges, including decentralization, security, privacy, and performance.

This thesis delves into the nuances of blockchain technology, focusing on Ethereum's transition from Proof of Work (PoW) to Proof of Stake (PoS) and its implications on network hardware requirements, topology, and overall performance. The development of Ethereum serves as a small-scale reflection of the broader ambitions and challenges in transitioning to Decentralized Finance (DeFi) platforms. Despite significant theoretical advancements in consensus mechanisms and scalability solutions, real-world implementations and experimental validations remain sparse. This work aims to bridge this gap by comprehensively analysing Ethereum's PoS transition by examining the interlaced relationships between software logic, hardware configurations, and network dynamics. Through novel measurement models and tools, this thesis contributes to a deeper understanding of how Ethereum's architectural changes impact its ecosystem and its participants' behaviours. Lastly, the research presented in this thesis illustrates the technical and operational challenges facing Ethereum and similar blockchain platforms and proposes a series of contributions that advance the field. This work empirically analyses the future enhancements in blockchain technology by exploring the implications of the network and its topology, to the viability of decentralized validation processes, and the potential for scaling solutions like Data Availability Sampling. The open-source tools and methodologies developed within the thesis scope represent the commitment to transparency and collaboration, which follows the spirit of the decentralized communities it seeks to serve. Through a mix of theoretical exploration and empirical research, this thesis aims to provide a deeper and more detailed understanding of Ethereum PoS' design choices, its capabilities and the limitations this one represents in future steps and upgrades, leading the way for more resilient, scalable, and decentralized digital infrastructures.

(Català) L'arribada d'Internet, marcada per avenços fonamentals com el llançament d'Arpanet i l'estandardització de HTTP, ha canviat irrevocablement el teixit de la societat moderna. Les plataformes centralitzades com Microsoft, Google, Apple i Amazon han dominat aquest panorama digital, oferint serveis que van des de la computació al núvol fins a l'emmagatzematge en línia. No obstant això, la naturalesa centralitzada d'aquests serveis ha generat importants preocupacions pel que fa a la privacitat de l'usuari, la integritat de les dades i la possibilitat de censura. En resposta a aquests problemes, la comunitat de codi obert ha explorat alternatives d'igual a igual, especialment en l'àmbit dels sistemes d'arxius distribuïts i la tecnologia blockchain. Les blockchains, popularitzades pel sorgiment de Bitcoin, han proposat fins i tot un model de servei democratitzat que desafia l'statu quo centralitzat. No obstant això, no estan exemptes de desafiaments, incloent la descentralització, la seguretat, la privacitat i el rendiment. Aquesta tesi aprofundeix en les dinàmiques de la tecnologia blockchain, centrant-se en la transició d'Ethereum de Proof of Work (PoW) a Proof of Stake (PoS) i les seves implicacions en els requisits, la topologia de la xarxa i el rendiment general del maquinari. El desenvolupament d'Ethereum serveix com un reflex a petita escala de les ambicions i els desafiaments més amplis en la transició a plataformes de finances descentralitzades (DeFi). Malgrat els importants avenços teòrics en els mecanismes de consens i les solucions d'escalabilitat, les implementacions al món real i les validacions experimentals segueixen sent escasses. Aquesta tesi té com a objectiu tancar aquesta bretxa analitzant exhaustivament la transició PoS d'Ethereum mitjançant l'examen de les relacions entrellaçades entre la lògica del programari, les configuracions de maquinari i la dinàmica de la xarxa. A través de nous models i eines de mesura, aquesta tesi contribueix a una comprensió més profunda de com els canvis arquitectònics d'Ethereum impacten en el seu ecosistema i els comportaments dels seus participants. Per últim, la investigació presentada en aquesta tesi il·lustra els desafiaments tècnics i operatius que enfronten Ethereum i plataformes blockchain similars, i proposa una sèrie de contribucions que esperem serveixin per fer avançar el mon de les blockchains. La tesi analitza empíricament les millores futures en la tecnologia blockchain explorant les implicacions de la xarxa i la seva topologia, la viabilitat dels processos de validació descentralitzats i el potencial per escalar solucions com el mostreig de disponibilitat de dades. Les eines i metodologies de codi obert desenvolupades dins de l'abast de la tesi representen el compromís amb la transparència i la col·laboració, que segueix l'esperit de les comunitats descentralitzades a les que busquem servir. A través d'una combinació d'exploració teòrica i investigació empírica, aquesta tesi té com a objectiu proporcionar una comprensió més profunda i detallada de les opcions de disseny d'Ethereum PoS, les seves capacitats i les limitacions que això representa en futurs passos i actualitzacions, obrint el camí cap a una solució més resilient i escalable per a infraestructures digitals descentralitzades.

(Español) La llegada de Internet, marcada por avances fundamentales como el lanzamiento de Arpanet y la estandarización de HTTP, ha cambiado irrevocablemente el tejido de la sociedad moderna. Plataformas centralizadas como Microsoft, Google, Apple y Amazon han dominado este panorama digital, ofreciendo servicios que van desde computación en la nube hasta almacenamiento en línea. Sin embargo, la naturaleza centralizada de estos servicios ha generado importantes preocupaciones con respecto a la privacidad del usuario, la integridad de los datos y la posibilidad de censura. En respuesta a estos problemas, la comunidad de código abierto ha explorado alternativas de igual a igual, especialmente en el ámbito de los sistemas de archivos distribuidos, los libros de contabilidad y la tecnología blockchain. Las blockchains, popularizadas por el surgimiento de Bitcoin, promueven un modelo de servicio democratizado que desafía el status quo centralizado. Sin embargo, no están exentos de desafíos, incluida la descentralización, la seguridad, la privacidad y el rendimiento.

Esta tesis profundiza en los matices de la tecnología blockchain, centrándose en la transición de Ethereum de Proof of Work (PoW) a Proof of Stake (PoS) y sus implicaciones en los requisitos, la topología de la red y el rendimiento general del hardware. El desarrollo de Ethereum sirve como un reflejo a pequeña escala de las ambiciones y desafíos más amplios en la transición a plataformas de finanzas descentralizadas (DeFi). A pesar de los importantes avances teóricos en los mecanismos de consenso y las soluciones de escalabilidad, las implementaciones en el mundo real y las validaciones experimentales siguen siendo escasas. Esta tesis tiene como objetivo cerrar esta brecha analizando exhaustivamente la transición PoS de Ethereum mediante el examen de las relaciones entrelazadas entre la lógica del software, las configuraciones de hardware y la dinámica de la red. A través de novedosos modelos y herramientas de medición, esta tesis contribuye a una comprensión más profunda de cómo los cambios arquitectónicos de Ethereum impactan su ecosistema y los comportamientos de sus participantes.

Por último, la investigación presentada en esta tesis ilustra los desafíos técnicos y operativos que enfrentan Ethereum y plataformas blockchain similares y propone una serie de contribuciones que hacen avanzar el campo. La tesis analiza empíricamente las mejoras futuras en la tecnología blockchain explorando las implicaciones de la red y su topología, la viabilidad de los procesos de validación descentralizados y el potencial para escalar soluciones como el muestreo de disponibilidad de datos. Las herramientas y metodologías de código abierto desarrolladas dentro del alcance de la tesis representan el compromiso con la transparencia y la colaboración, que sigue el espíritu de las comunidades descentralizadas a las que busca servir. A través de una combinación de exploración teórica e investigación empírica, esta tesis tiene como objetivo proporcionar una comprensión más profunda y detallada de las opciones de diseño de Ethereum PoS, sus capacidades y las limitaciones que esto representa en futuros pasos y actualizaciones, abriendo el camino hacia una solución más resiliente y escalable. e infraestructuras digitales descentralizadas.