Master thesis : Attribution of Addresses and Analysis of Centralization in the Bitcoin Ecosystem

Abstract

Bitcoin is a decentralized payment system whose security relies on the distribution of computational power across honest miners. While the blockchain is transparent, ownership attribution remains challenging. This work first investigates the possibility of recovering a large number of identifiable Bitcoin addresses by scraping data from public online platforms. A custom tool was developed to collect over 44 million addresses linked to known entities from bitcointalk.org and walletexplorer.com.

To evaluate the relevance of this dataset, the study focuses on analyzing the centralization of Bitcoin mining through multiple indicators. Survival analysis reveals that mining pools have become increasingly stable over time, suggesting rising barriers to entry. The Nakamoto Coefficient (NC) indicates persistently high concentration levels, with two pools often controlling over 50% of the hashrate. However, the NC alone fails to fully reflect market structure. This work proposes a mathematical linkage between the NC and the Herfindahl-Hirschman Index (HHI), and derives theoretical bounds that are then empirically validated.

The analysis further explores other risks: hardware centralization, with Bitmain devices estimated to account for 75% of global hashrate, and geopolitical concentration, as China and the United States together dominate mining activity. A final result shows that today (1 May 2025), an attack on the blockchain remains theoretically feasible with a success probability of 17%, even without controlling a majority of the hashrate.

Bitcoin est un système de paiement décentralisé dont la sécurité repose sur la répartition de la puissance de calcul entre des mineurs honnêtes. Bien que la blockchain soit transparente, l’attribution des adresses à des entités spécifiques reste complexe. Ce travail explore d’abord la possibilité de récupérer un grand nombre d’adresses identifiables en collectant des données depuis des plateformes publiques. Un outil personnalisé a été développé pour extraire plus de 44 millions d’adresses associées à des entités connues à partir des sites bitcointalk.org et walletexplorer.com.

Afin d’évaluer la pertinence de ce jeu de données, l’étude se concentre sur l’analyse de la centralisation du minage de Bitcoin à travers plusieurs indicateurs. Une analyse de survie révèle que les pools de minage sont devenus de plus en plus stables, suggérant une hausse des barrières à l’entrée. Le coefficient de Nakamoto (NC) indique des niveaux de concentration élevés, avec deux pools contrôlant fréquemment plus de 50% du hashrate. Toutefois, ce seul indicateur ne reflète pas entièrement la structure du marché. Ce travail propose une liaison mathématique entre le NC et l’indice de Herfindahl-Hirschman (HHI), pour lequel des bornes théoriques sont établies, puis validées empiriquement.

L’analyse met également en lumière d’autres risques: la centralisation matérielle, avec les ASIC de Bitmain estimés à environ 75% du hashrate mondial, et la concentration géopolitique, la Chine et les États-Unis contrôlant ensemble la majorité de l’activité de minage. Enfin, les résultats montrent qu’une attaque sur la blockchain reste théoriquement possible, avec une probabilité de succès de 17%, même sans détenir la majorité du hashrate.