분산 합의 프로토콜을 위한 협력형 작업 증명 방식

목차

1. 서론

본 논문은 일반적으로 지정된 수의 선행 제로를 갖는 암호화 해시 출력을 생성하는 논스를 찾는 전통적인 작업 증명 방식을 개선하는 방안을 제안합니다. 핵심 혁신은 협력형 작업 증명 방식으로, 다수의 자율적인 사용자가 자신들의 거래에 대한 작업 증명을 생성하는 데 협력할 수 있도록 설계되었습니다. 이 협력은 분산 원장 시스템 내에서 거래 순서에 대한 합의를 수립하는 것을 목표로 합니다.

주요 동기는 경쟁적이고 수수료 기반의 채굴 모델(채굴자들이 퍼즐을 풀고 수수료를 받기 위해 경쟁하는)에서 협력적이고 세금 기반의 모델(사용자들이 협력하고 세금을 지불하는)로 전환하는 것입니다. 저자들은 이러한 전환이 여러 문제를 완화할 수 있다고 주장합니다:

• 에너지 소비 감소: 치열한 경쟁을 절약적인 협력으로 대체함으로써 전체적인 계산 노력(따라서 에너지 사용량)이 크게 낮아질 수 있습니다.
• 처리량 증가 및 공정성 향상: 채굴자 간 경쟁 감소는 더 빠른 거래 처리와 특정 사용자 그룹에 대한 차별 가능성을 줄일 수 있습니다.
• 보안 강화: 서비스 거부 공격은 내재된 거래 세금으로 인해 공격자에게 더 많은 비용이 발생하게 됩니다.

이 방식은 인센티브 불일치 문제를 겪을 수 있는 마이닝 풀과 같은 기존의 외부 메커니즘과 대조적으로, 협력을 위한 네이티브 솔루션으로 자리매김합니다.

2. 합의

이 섹션은 중앙 권한 없이 피어-투-피어 네트워크에서 분산 합의를 달성하는 근본적인 문제를 설정합니다. 피어들은 가십 프로토콜을 통해 통신하며 공유되고 합의된 거래 원장을 유지해야 합니다.

핵심 과제는 메시지 전파 지연입니다. 이상적인 저빈도 거래 환경에서는 네트워크 트래픽의 지속적인 일시 정지—"완전 정지"—를 관찰함으로써 합의를 달성할 수 있습니다. 이는 모든 피어가 동일한 메시지 집합을 보았을 가능성이 높다는 것을 나타냅니다. 그런 다음 이러한 메시지는 표준적인 방식으로(예: 해시 기준) 정렬되어 원장에 추가될 수 있습니다.

그러나 실제 세계의 거래 빈도는 이 간단한 방식에 비해 너무 높습니다. 여기서 작업 증명이 빈도 제한 장치 역할을 합니다. 각 거래(또는 거래 블록)마다 계산 비용이 많이 드는 퍼즐을 풀도록 요구함으로써, 작업 증명은 새로운 합의 이벤트가 제안될 수 있는 속도를 인위적으로 낮춥니다. 퍼즐의 난이도는 네트워크 전반에서 "일시 정지 기반" 합의 메커니즘이 효과적으로 작동하기 위해 필요한 저빈도를 달성하도록 조정될 수 있습니다.

3. 협력형 작업 증명

본 논문은 제안된 협력 방식을 정형화합니다. 완전한 수학적 세부사항은 다음 섹션에서 미리 보여주지만, 개념적 전환은 분명합니다. 개별 채굴자들이 블록 보상을 위해 퍼즐을 풀기 위해 경쟁하는 대신, 거래 집합을 형성하는 사용자들이 그 집합에 대한 단일 작업 증명을 생성하기 위해 함께 작업합니다.

이 메커니즘은 다음을 보장해야 합니다:

1. 협력이 검증 가능하고 안전해야 합니다.
2. 집단적 작업이 네트워크의 난이도 목표를 충족해야 합니다.
3. 결과적인 거래 순서에 대한 합의가 구속력 있고 변조 방지되어야 합니다.

제안된 "거래 세금"은 "거래 수수료"를 대체합니다. 이 세금은 협력형 채굴 라운드에 참여하는 사용자들이 지불하며, 합의 형성 비용을 별도의 채굴자 계층에 아웃소싱하는 대신 사용자 그룹 내부에 내재화합니다.

4. 핵심 통찰 및 분석

핵심 통찰: Kuijper의 논문은 단순히 작업 증명을 약간 수정한 것이 아닙니다. 이는 블록체인 인센티브 구조의 근본적인 재구성입니다. 진정한 돌파구는 작업 증명의 합의에서의 주요 가치가 단순히 "작업"이 아니라 빈도 제한 장치로서의 작업이라는 점을 인식한 것입니다. 협력 모델은 이 빈도 제한을 경쟁적이고 채굴자 주도적인 과정이 아닌 협력적이고 사용자 주도적인 과정으로 만듦으로써 상황을 뒤집습니다. 이는 비트코인의 에너지 딜레마의 근본 원인—해싱 자체가 아니라 더 많은 해싱을 요구하는 경제적 경쟁—을 직접적으로 공격합니다.

논리적 흐름: 논증은 우아한 논리로 진행됩니다: 1) 합의는 낮은 이벤트 빈도를 요구합니다, 2) 작업 증명은 비용을 통해 낮은 빈도를 강제합니다, 3) 따라서 비용을 부담하는 주체가 합의 리듬을 통제합니다. 전통적인 작업 증명은 채굴자들이 이 리듬을 통제하여 이익을 얻도록 합니다. Kuijper의 방식은 사용자들이 자신의 거래에 대해 직접 비용(세금)을 부담하게 함으로써 통제권을 사용자에게 되돌립니다. 기술적 제약(전파 지연)에서 경제적 해결책(협력적 비용 부담)으로의 흐름은 설득력이 있습니다.

강점과 결점: 강점은 인센티브의 우아한 정렬입니다. 합의 비용을 거래 발신자와 직접 연결함으로써, 이더리움 머지 이전 시스템을 괴롭히는 채굴자 추출 가치 및 풀 중앙화 문제를 제거합니다. 그러나 눈에 띄는 결점은 "부트스트래핑 문제"입니다—신뢰가 없는 환경에서 어떻게 협력을 시작할 것인가? 논문은 이 중요한 조정 문제를 간단히 넘어갑니다. 블록체인의 게임 이론적 분석(예: 합의 역학에 대한 arXiv의 연구)에서 볼 수 있듯이, 기존의 사회적 또는 알고리즘적 기반 없이는 합리적이고 익명의 행위자들 사이에서 자발적이고 안정적인 협력을 달성하는 것은 악명 높게 어렵습니다. 또한 이 방식은 존재하지 않는 사용자 해싱 파워의 동질성을 가정하는 것으로 보이며, 이는 높은 파워를 가진 사용자들이 협력 그룹을 지배하는 새로운 형태의 중앙화로 이어질 수 있습니다.

실행 가능한 통찰: 프로토콜 설계자들에게 핵심 교훈은 하이브리드 모델을 탐색하는 것입니다. 경쟁적 작업 증명을 완전히 버리지 말고, 이를 폴백 계층이나 체크포인팅에 사용하면서, 고빈도, 저가치 거래 배치에는 협력형 작업 증명을 허용하십시오. 부트스트래핑 문제를 해결하기 위해 협력 작업과 함께 스테이킹 메커니즘을 구현하십시오—사용자들은 협력 라운드에 참여하기 위해 토큰을 스테이킹해야 하며, 이는 악의적인 행위자를 처벌합니다. 이는 지분 증명의 보안과 작업 증명의 빈도 제한을 결합합니다. 더 나아가, "거래 세금" 개념은 스팸을 억제하면서도 사용성을 방해하지 않는 최적의 비율을 찾기 위해 실제 세계의 결제 시스템 데이터에 대해 엄격하게 모델링되어야 합니다.

5. 기술적 세부사항 및 수학적 정형화

협력형 작업 증명 방식은 다음과 같이 정형화될 수 있습니다:

$T = \{tx_1, tx_2, ..., tx_n\}$를 사용자 그룹 $U = \{u_1, u_2, ..., u_m\}$이 제안한 거래 집합이라고 합시다.

$H(\cdot)$를 암호화 해시 함수(예: SHA-256)라고 합시다. 전통적인 작업 증명은 블록 $B$에 대해 $H(B || N) < D$가 되도록 논스 $N$을 찾는 것을 요구합니다. 여기서 $D$는 난이도 목표입니다.

협력 모델에서 "블록"은 합의된 거래 집합 $T$입니다. 퍼즐은 집단적으로 해결됩니다. 각 사용자 $u_i$는 부분 해결책("공유") $s_i$를 기여합니다. 집단적 작업 증명 $P$는 모든 공유와 거래 집합의 함수입니다:

$P = F(T, s_1, s_2, ..., s_m)$

유효한 협력형 작업 증명의 조건은 다음과 같습니다:

$H(P) < D$

함수 $F$는 다음과 같이 구성되어야 합니다:

1. $H(P) < D$를 산출하는 입력 $s_i$를 찾기 위해 $U$의 대다수로부터 상당한 결합된 계산 노력이 필요해야 합니다.
2. 모든 $u_i \in U$가 $P$에 기여했음을 검증할 수 있어야 합니다.
3. 단일 사용자나 작은 부분 집합이 해결책을 지배하거나 다른 사람들의 참여를 위조하는 것을 방지해야 합니다.

$F$에 대한 잠재적인 구성은 반복적인 다중 서명 유사 방식이나 검증 가능 지연 함수를 해시 커밋먼트와 결합하여 작업이 순차적이고 다른 당사자들이 기여해야 하도록 보장하는 것을 포함할 수 있습니다.

6. 분석 프레임워크 및 예시 사례

프레임워크: 합의 메커니즘 전환 평가

우리는 주요 차원을 비교하는 프레임워크를 사용하여 이 제안을 분석할 수 있습니다:

예시 사례: 소액 거래 배치

1000명의 사용자가 작고 빈번한 지불(예: IoT 데이터 마켓플레이스 내)을 하고 싶어 한다고 상상해 보십시오.

• 전통적 작업 증명: 각 거래는 채굴자가 블록에 포함시키기를 기다리며, 수수료 우선순위를 위해 다른 거래와 경쟁합니다. 높은 지연 시간, 높은 실질 비용.
• 협력형 작업 증명: 이 1000명의 사용자는 임시 그룹을 형성합니다. 그들은 자신들의 모든 거래를 포함하는 블록에 대한 단일 작업 증명을 집단적으로 작업합니다. 작업이 분산되므로 개별 비용은 낮습니다. 작업 증명이 해결되면 블록이 전파됩니다. 지불된 "세금"은 그들 사이에 분할되며, 개별 수수료보다 낮을 가능성이 높습니다. 그들의 배치 순서에 대한 합의가 직접 달성됩니다.

이 사례는 특정 고용량, 저가치 시나리오에서 처리량 증가 가능성을 강조합니다.

7. 적용 전망 및 향후 방향

적용 전망:

• 허가된 컨소시엄 블록체인: 참여자가 알려져 있고 기존 관계가 있는 이상적인 환경으로, 부트스트래핑 문제를 해결합니다. 공급망 또는 은행 간 원장에 유용합니다.
• 레이어-2 확장 솔루션: 협력 방식은 상태 채널 또는 사이드체인 참여자 집합 내에서 합의를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 주기적으로 메인 체인에 정산됩니다.
• 분산형 데이터 오라클: 오라클 노드 그룹은 데이터 포인트의 값에 대한 합의를 달성하기 위해 협력형 작업 증명을 사용한 후 온체인에 제출할 수 있으며, 이는 허위 보고에 비용을 추가합니다.

향후 연구 방향:

1. 형식적 보안 증명: 이 방식은 현실적인 네트워크 조건 하에서 시빌 공격, 담합 및 기타 위협 모델에 대한 보안을 증명하기 위한 엄격한 암호화 분석이 필요합니다.
2. 그룹 형성을 위한 메커니즘 설계: 협력 그룹은 어떻게 동적으로 형성됩니까? 매칭 이론 또는 확률적 과정의 아이디어를 사용하는 알고리즘적 그룹 매칭에 대한 연구가 필요합니다.
3. 다른 합의 모델과의 통합: 그룹 선택 또는 최종성 계층을 위한 지분 증명 또는 권위 증명과의 하이브리드 탐색.
4. 에너지 영향 정량화: 다양한 채택 및 거래 부하 시나리오 하에서 전통적 작업 증명과 비교한 잠재적 에너지 절감을 정량화하기 위한 상세한 시뮬레이션 모델 구축.

8. 참고문헌

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Demers, A., et al. (1987). Epidemic Algorithms for Replicated Database Maintenance. Proceedings of the Sixth Annual ACM Symposium on Principles of Distributed Computing.
3. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable. International Conference on Financial Cryptography and Data Security.
4. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
5. Buterin, V., et al. (2014). A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform. Ethereum White Paper.
6. King, S., & Nadal, S. (2012). PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Stake.
7. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). (적대적/조정 구조 분석을 위한 CycleGAN 참조)