This paper is an attempt to analyze the role of transaction fees in a proof-of-stake cryptocurrency currently in development. The authors have employed a microeconomic, static equilibrium approach to model a market in which the cryptocurrency is exchanged for a physical good. Furthermore, the relationship between transaction capacity and the size of the network has been investigated. It has been shown that the total amount of validator capital and the number of validators can be controlled by setting a fixed fee on transactions as well as a minimum capital requirement on individual validators. The total surplus in the economy has then been optimized by setting a fee and the authors have discussed how a minimal capital requirement could be used to also optimize transaction capacity. / Denna kandidatuppsats ’r ett försök att analysera transaktionsavgiftens roll i en "proof-of-stake"-baserad kryptovaluta under utveckling. Författarna har använt sig av en statisk jämviktsmodell från mikroekonomin för att modellera en marknad på vilken kryptovalutan i fråga används för att handla en fysisk vara. Fortsättningsvis har förhållandet mellan systemets transaktionskapacitet och dess storlek undersökts. Det har visats att den totala mängden kapital från validerare samt antalet validerare kan kontrolleras genom att sätta en fast avgift för transaktioner samt ett minimikrav på kapital för enskilda validerare. Sedan har det totala överskottet optimerats genom att bestämma en avgift och författarna har diskuterat hur ett minimikrav på kapital hade kunnat användas för att också optimera systemets transaktionskapacitet.

This thesis is one in a group of several theses that are researching different subjects in the development of a new cryptocurrency. For a few years now, the cryptocurrency market has grown dramatically, in the lead of the original cryptocurrency Bitcoin. Today, most cryptocurrencies' validation-technology, including Bitcoin's, are based on Proof-of-Work (PoW), i.e., a system where transaction validation is made by servers calculating mathematical problems. PoW results in high energy consumption and slow transaction speed. In this cryptocurrency, the validation mechanism will build on a technology called Proof-of-Stake (PoS). PoS does not yield as high energy consumption and often leads to faster transaction speed. The specific technique for validation in this system is that validators bet their coins to validate transactions and get rewards in the form of transaction fees if they end up conforming the transactions that reach consensus among the validators. In particular, the purpose of this report is to research the risk and reward for validators in the betting process and from this develop a reward policy which yields a fast and secure validation. The methods used for solving the problems are simulations based on Monte Carlo methods. From the simulations, the results are discussed and compared. Also, this report will cover economic theories behind cryptocurrencies, mainly focusing on monetary policy and the transaction markets. The findings of this report are several risk functions for different topologies and winning conditions considered during the development of the cryptocurrency. Further, a conclusion was that the expected value of profit for validators need to be constant, independent of when the bets are made with regard to previous bets. From this, a reward function which distributes rewards between winning validators was formed. Another, economical conclusion from this was that, in the long run, the expected value of profit of betting should converge to zero due to a perfect competition market. / Denna kandidatuppsats är en av era uppsatser som analyserar olika områden i utvecklingen av en ny kryptovaluta. Under de senaste åren har kryptovalutamarknaden vuxit dramatiskt, där Bitcoin har varit ledande. Idag bygger de flesta kryptovalutors valideringsteknik, inklusive Bitcoins, på Proof-of-Work (PoW), d.v.s. ett system där transaktionsvalideringen görs av servrar som beräknar komplicerade matematiska problem. Detta resulterar i en hög energiförbrukning och i många fall långsamma transaktionshastigheter. I denna kryptovaluta kommer valideringsmekanismen baseras på en teknik som kallas Proof-of-Stake (PoS) vilket leder till en substantiellt lägre energiförbrukning och högre transaktionshastigheter. Tekniken för valideringen i det här systemet är baserat på att validerare i systemet satsar sina egna mynt för att validera transaktioner och får belöningar i form av transaktionsavgifter om de validerar den transaktion som når konsensus i blockkedjan. I synnerhet är syftet med rapporten att formulera riskerna och de möjliga belöningarna för validerare i bettingprocessen och därmed hitta ett belöningssystem som leder till en snabb och säker kryptovaluta när det gäller validering. De metoder som används för att lösa problemen är simuleringar baserade på Monte Carlo metoder. Slutresultatet av denna rapport är era riskfunktioner för olika topologier och villkor för de vinnande validerarna, beräkningar för väntevärde och belöningsfunktioner för validering. Vidare har slutsatsen dragits att väntevärdet av att göra ett bet måste vara konstant med avseende på när bettet görs. Från detta togs en belöningsfunktion fram som fördelar belöningar mellan vinnande validerare. En annan, ekonomisk slutsats, var att i det långa loppet kommer väntevärdet av vinsten för att betta konvergera till noll på grund av att en perfekt konkurrensmarknad antas.

Since the creation of Bitcoin, the virtual currency has attracted the attention of many people and is now a household name synonymous with cryptocurrencies. Today, many thousands of different variants of cryptocurrencies exist, and more are being launched each day. The increase in popularity over the recent years has made them grow exponentially in value but at the same time also created a significant increase in energy consumption. Many of the cryptocurrencies we know today are based on Proof of Work, which is very energy intensive. There are also new and upcoming currencies based on alternative algorithms, such as Proof of Stake, which can considerably reduce the energy consumption of cryptocurrencies. However, Proof of Stake has not been proven to be as resilient and secure as Proof of Work. This study explores the future energy consumption and carbon emission of cryptocurrencies and reflects on their sustainability via exploratory scenario analysis. It includes three scenarios. Scenario 1 – Business as usual is the reference scenario. Scenario 2 – Change in the market, is based on the possibility of the market naturally switching over to PoS. Scenario 3 – under regulation is based on the possibility of a ban of PoW within the EU.  The results of this study indicate that the current emissions might be much lower than previously considered and that they might only be 30 percent of what had previously been reported. The fact that the emission is lower today does not mean that they will be sustainable in the future. Suppose Bitcoin and Ethereum energy consumption continues to grow as it has been doing for the last two years. In that case, the combined electricity consumption of the two currencies will have the possibility to surpass 650 TWh, which is an increase of over 300 percent from today's estimates. Banning Proof of Work within the EU would not yield the desired outcome of reducing carbon emissions but would instead increase carbon emissions. A continually growing Proof of Work based network, as it is used today, cannot be seen as sustainable. The recommendations to both industry and policymakers are to find and facilitate areas where Proof of Work would have the possibility to provide added value to society. / Sedan Bitcoin först lanserades har den virtuella valutan väckt mycket intresse. Många känner till Bitcoin men det finns flera tusen olika kryptovalutor och flera skapas varje dag. Det växande intresset har fått flertalet kryptovalutor att öka enormt i värde, men också i dess energiåtgång. Många av dagens kryptovalutor drivs av en algoritm som kallas Proof of Work, vilket är väldigt energikrävande. Det finns även nya och växande kryptovalutor baserade på alternativa algoritmer så som Proof of Stake, vilket har stora möjligheter att minska energiåtgången avsevärt. Dock har inte Proof of Stake bevisats vara lika motståndskraftigt vid attacker så som Proof of Work.  Denna studie utforskar den framtida energikonsumtionen och koldioxidutsläppen från kryptovalutor och har som avsikt att reflektera på hållbarheten via en utforskande scenarioanalys. Där tre scenarios utforskats. Scenario 1 – Business as usual är referensscenariot. Scenario 2 – Change in the market, är baserat på att marknaden själv glider över till PoS och Scenario 3 – under regulation vilket är baserat på ett förbud av PoW inom EU. Resultatet från studien visar att de nuvarande utsläppen kanske är mycket lägre än vad som tidigare trotts och kanske bara är 30 procent av det som tidigare rapporterats. Faktumet att kryptovalutor kanske släpper ut mindre koldioxid idag betyder inte att de kan anses hållbara i framtiden. Anta att Bicoin och Ethereum fortsätter växa som de har gjort de senaste två åren, då kommer de två valutorna ha en möjlighet att förbruka mer än 650 TWh per år vid 2025. Detta är en ökning med mer än 300 procent från dagens energikonsumtion. Att införa ett förbud på Ptoof of Work inom EU kommer dock inte ge de önskade förhoppningarna om att minska koldioxidutsläppen, utan skulle snarare kunna öka dem. Med det sagt så kan ett ständigt växande Proof of Work nätverk inte anses vara hållbart. Därför är rekommendationerna till industrin och beslutsfattarna att identifiera och främja områden där Proof of Work kan implementeras för att skapa ett mervärde till samhället.

Distributed ledger technology (DLT) stands to benefit industries such as financial services with transparency and censorship resistance. DLT systems need to be scalable to handle mass user adoption. Mass user adoption is required to demonstrate the true value of DLT. This dissertation first analyses scalability in ethereum and EOS. Currently, ethereum 1.0 uses proof of work (PoW) and handles only 14 transactions per second (tps) compared to Visa's peak 47 000 tps. Ethereum 2.0, known as Serenity, introduces sharding, proof of stake (Casper), plasma and state channels in and effort to scale the system. EOS uses a delegated proof of stake (DPoS) protocol, where 21 super-nodes, termed ‘block producers' (BPs), facilitate consensus, bringing about significant scalability improvements (4000 tps). The trade-off is decentralisation. EOS is not sufficiently decentralised because the BPs yield significant power, but are not diverse. This dissertation conducts an empirical analysis using unsupervised machine learning to show that there is a high probability collusion is occurring between certain BPs. It then suggests possible protocol alterations such as inverse vote weighting that could curb adverse voting behaviour in DPoS. It further analyses whether universities are suitable BP's before mapping out required steps for universities to become block producers (leading to improved decentralisation in EOS)

Tato diplomová práce se zabývá technologii blockchain se zaměřením na konsenzus protokoly, zvláště protokoly typu proof-of-stake. V této práci naleznete popis těchto protokolů následovaný popisem konsenzu v technologii blockchain. Prvotní kapitoly detailněji popisují a porovnávají jednotlivé proof-of-stake protokoly na základě teoretických znalostí. Druhá část práce se zaobírá návrhem a implementací testbedu, který je následně použitý pro praktické porovnání proof-of-stake protokolů. V závěrečné částí práce je diskutováno nad zjištěnými výsledky pozorováním testbedu a zjištěnými vlatnostmi protokolů. Na tomto základě práce ve svém konci naznačuje další směřování consesus protokolů, ba jejich případné zlepšení, a zvláště proof-of-stake typu protokolů.

V tejto práci sumarizujeme aktuálny výskum protokolov z rodiny Proof-of-Stake ako napr. Algorand, Tendermint a LaKSA. Analyzovali sme ich funkcionalitu a tiež ich problémy. V rámci výskumu sme implementovali a novy protokol z rodiny Dôkaz-Podielom, ktorý rieši nájdené problémy ako priepustnosť, škálovatelnosť a bezpečnosť.

Denna studie undersöker huruvida avsiktligt implementerad friktion inom interaktionsdesign kan minska antal användarfel vid insatsprocessen för blockkedjor med Proof-of-Stake teknik. Friktion som avsiktligt implementerats har tidigare visats kunna leda till färre användarfel. Det spekuleras i att blockkedjor kan komma att användas i större utsträckning i framtiden. Eftersom fel i insatsprocessen för en blockkedja med Proof-of-Stake teknik kan leda till att pengar går förlorade valdes det området för att undersökas närmare om friktion kan leda till färre användarfel. Studien avgränsas till en typ av avsiktlig friktion som kallas design for pauses som syftar till att få användaren att tillfälligt stanna upp med sin interaktion. I studien skapades två versioner av en prototyp på en insatsprocess till blockkedjan Ethereum som testades på två olika testgrupper. Ena versionen av prototypen innehöll avsiktligt implementerad friktion och i den andra versionen adderades ingen friktion avsiktligt. Deltagarna i testet ombads utföra insatsprocessen i prototypen där deras interaktioner granskades och statistik fördes på antal användarfel. Användarfelen delades upp i två kategorier: slarvfel och misstag. Resultaten från testerna visar på att avsiktlig friktion av typen design for pauses minskar antal användarfel av typen misstag. Ytterligare forskning krävs för att besvara om design for pauses kan bidra till att minska antal användarfel av typen slarvfel. / This study evaluates whether intentionally implemented friction within interaction design can reduce the amount of user errors in the staking process within blockhains with Proof-of-Stake technology. Intentionally implemented friction has previously been proved to reduce user errors. It is speculated that blockchains may be used to a greater extent in the future. Since user errors in the staking process of a blockchain with Proof-of-Stake technology can result in money being lost, that field was selected to investigate if friction can result in fewer user errors. This study is limited to a type of deliberate friction called design for pauses which aims to temporarily pause the users interaction. In the study, two versions of a prototype were created to simulate the staking process for the Ethereum blockchain and were tested on two different test groups. One version of the prototype had intentionally added friction while in the other version no friction was added intentionally. Participants in the test were asked to perform the staking process in the prototype. Their interactions were analyzed and statistics were kept on the number of user errors. The user errors were divided into two categories: slips and mistakes. The results of the tests shows that deliberate friction of type design for pauses leads to reduced number of user errors of type mistakes. Further research is needed in order to answer whether design for pauses may reduce the number of user errors of type slips.

The thesis investigates how a blockchain can be used to build a decentralised public key infrastructure for the web, by proposing a custom federation blockchain relying on honest majority. Our main contribution is the design of a Proof of Stake protocol based on a stake tree, which builds upon an idea called follow-the-satoshi used in previous papers. Digital identities are stored in an authenticated self-balancing tree maintained by blockchain nodes. Our back-of-the-envelope calculations, based on the size of the domain name system, show that the block size must be set to at least 5.2 MB, while each blockchain node with a one-month transaction history would need to store about 243 GB. Thin clients would have to synchronise about 13.6 MB of block headers per year, and download an additional 3.7 KB of proof data for every leaf certificate which is to be checked. / Uppsatsen undersöker hur en blockkedja kan användas för att bygga en decentraliserad publik nyckel-infrastruktur för webben. Vi ger ett designförslag på en blockkedja som drivs av en pålitlig grupp av noder, där en majoritet antas vara ärliga. Vårt huvudsakliga bidrag är utformningen av ett Proof of Stake-protokoll baserat på ett staketräd, vilket bygger på en idé som kallas follow-the-satoshi omnämnd i tidigare publikationer. Digitala identiteter sparas i ett autentiserat, självbalanserande träd som underhålls av noder anslutna till blockkedjenätverket. Våra preliminära beräkningar baserade på storleken av DNS-systemet visar att blockstorleken måste sättas till åtminstone 5.2 MB, medan varje nod med en månads transaktionshistorik måste spara ungefär 243 GB. Webbläsare och andra resurssnåla klienter måste synkronisera 13.6 MB data per år, och ladda ner ytterligare 3.7 KB för varje användarcertifikat som skall valideras.

The Industrial Internet of Things (IIoT) is growing day by day and is implemented in many industries. The centralized architecture of an IIoT system is composed of several devices that communicate with a special device only via one link, in an instance where this one link is attacked, major problems could occur for the whole system. The solution is to decentralize the entire architecture, a feature that the implementation of blockchain technology provides. Blockchain technology uses numerous consensus algorithms and some of the consensus algorithms require a large amount of computational power , such as the proof of work consensus algorithm. The problem is that IIoT devices have limited processor performance therefore it is important to find consensus algorithms that are suitable for an IIoT system in terms of time efficiency and electricity consumption. The question then becomes, which of the following different consensus algorithms; proof of work, proof of stake and proof of authentication performs best in an IIoT environment in terms of time efficiency and electricity consumption?  This question can be answered by implementing blockchain technology using the three aforementioned consensus algorithms in an IIoT environment to see which consensus algorithm is the most time efficient and uses the smallest amount of electricity. The results showed that proof of stake was the best consensus algorithm both in terms of time efficiency and electricity consumption. / Sakernas internet inom industrin (IIoT) växer dag för dag och används i flertalet industrier. Den centraliserade arkitekturen av ett IIoT-system består av flera enheter som kommunicerar med en speciell enhet endast via en länk och detta kan skapa stora problem för hela systemet om endast denna länk attackeras. Lösningen är att decentralisera hela arkitekturen, en funktion som implementeringen av blockkedjeteknologi förser. Inom blockkedjeknologi används flertalet algoritmer och bland algoritmerna finns det flera som kräver hög processorprestanda, som t.ex proof of work algoritmen. Problemet är att IIoT-enheter har begränsad processorprestanda, och ett viktigt skäl är att hitta algoritmer som är anpassade för ett IIoT-system beträffande tidseffektivitet samt elkonsumtion. Frågan blir då, vilken av de olika konsensus algoritmerna; proof of work, proof of stake och proof of authentication presterar bäst i en IIoT-miljö sett ur tidseffektivitet och elkonsumtion?  Denna fråga kan besvaras genom att implementera blockkedjeteknologi med de tre ovannämnda algoritmer i en IIoT-miljö för att se vilken algoritm är den mest tidseffektiva och har lägst elkonsumtion. Resultatet visade att proof of stake var den bästa konsensus algoritmen både tidsmässigt och elkonsumtion mässigt.

Blockchain is a decentralized database that is distributed among a computer network. To enable a smooth decision making process without any authority, different blockchain applications use their own consensus algorithms. The problem is that for a new blockchain application, there is limited aid in deciding which algorithm it should implement. Selecting consensus algorithms is crucial because reaching consensus is the fundamental issue of a decentralized system. Different algorithms are designed with their own advantages and limitations, making it complex to navigate one’s way through a list of consensus algorithms. This thesis attempts to contribute to solving this problem by surveying 15 existing cryptocurrencies’ consensus algorithms used in their blockchain application and then producing a decision tree as the aid for algorithm selection. The top 5 algorithms from each category in Proof of Work (PoW), Proof of Stake (PoS), and Hybrid Proof of Work + Proof of Stake (PoW + PoS) are selected. The research method is qualitative. The study shows that different consensus algorithms often share some properties, but they are usually built to solve the issues of another algorithm, which means they also have their own distinctive advantages. Therefore, the decision tree reveals how these algorithms are logically connected and the key properties blockchain consensus algorithms possess. Based on the result of this thesis, further research can be conducted to include more algorithms in order to make the decision tree more comprehensive. Implementations of these algorithms in similar network setup can also be done to experiment with their claimed properties. The decision tree can be sent to industry for further feedback. / Blockchain är en decentraliserad databas som distribueras i ett datornätverk. För att möjliggöra en smidig beslutsprocess utan någon auktoritet använder olika blockkedjeapplikationer sina egna konsensusalgoritmer. Problemet är att för en ny blockchain-applikation finns det begränsad hjälp för att bestämma vilken algoritm den ska implementera. Att välja konsensusalgoritmer är avgörande eftersom att nå konsensus är den grundläggande frågan för ett decentraliserat system. Olika algoritmer är designade med sina egna fördelar och begränsningar, vilket gör det komplicerat att navigera sig igenom en lista med konsensusalgoritmer. Forskningsmetoden är kvalitativ. Det här dokumentet försöker bidra till att lösa detta problem genom att kartlägga 15 befintliga kryptovalutors konsensusalgoritmer som används i deras blockkedjeapplikation och sedan ta fram ett beslutsträd som hjälp för val av algoritmer. De 5 bästa algoritmerna från varje kategori i Proof of Work (PoW), Proof of Stake (PoS) och Hybrid Proof of Work + Proof of Stake (PoW + PoS) väljs. Studien visar att olika konsensusalgoritmer ofta delar vissa egenskaper, men de är vanligtvis byggda för att lösa problem med en annan algoritm, vilket innebär att de också har sina egna distinkta fördelar. Därför avslöjar beslutsträdet hur dessa algoritmer är logiskt kopplade och de nyckelegenskaper som blockchain konsensusalgoritmer besitter. Baserat på resultatet av denna artikel kan ytterligare forskning utföras för att inkludera fler algoritmer för att göra beslutsträdet mer heltäckande. Implementeringar av dessa algoritmer i liknande nätverksuppsättningar kan också göras för att experimentera med deras påstådda egenskaper. Beslutsträdet kan skickas till industrin för vidare feedback.