[논문 리뷰] A Blockchain-based Semantic Exchange Framework for Web 3.0 toward Participatory Economy

Yijing Lin, Zhipeng Gao외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 30.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 NFT 토큰화, 스택엘베르크 게임 기반 가격 설정, 그리고 제로지식 증명을 통해 정의된 정보의 공정하고 효율적이며 프라이버시를 보장하는 교환을 가능하게 하는 웹 3.0을 위한 블록체인 기반 의미 정보 교환 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 기존 방법 대비 통신 오버헤드를 90% 감소시키며, 거래 중 생산자가 제어권과 프라이버시를 유지할 수 있도록 보장한다. 도시 계획 사례 연구를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Web 3.0 is the next-generation Internet that enables participants to read, write, and own contents in a decentralized manner. It is mainly driven by blockchain, semantic communication, edge computing, and artificial intelligence, which can construct value networks to achieve participatory economics based on participatory decision making. Web 3.0 can capture the characteristics of blockchain, semantic extraction, and communication to achieve decentralized semantic sharing and transfer information precisely. However, current Web 3.0 solutions focus on the blockchain while overlooking other new technologies' roles in Web 3.0. To further unleash the advantages of semantic extraction and communication in Web 3.0, in this paper, we propose a blockchain-based semantic exchange framework to realize fair and efficient interactions. In this framework, we first attempt to tokenize semantic information into Non-Fungible Token (NFT) for semantic exchange. Then we utilize a Stackelberg game to maximize buying and pricing strategies for semantic trading. We also leverage Zero-Knowledge Proof to share authentic semantic information without publishing it before receiving payments, which can achieve a fair and privacy-preserving trading compared with current NFT marketplaces. A case study about urban planning is given to show clearly the proposed mechanisms. Finally, several challenges and opportunities are identified.

연구 동기 및 목표

• 웹 3.0의 参여형 경제를 위한 블록체인, 의미 정보 통신, 탈중앙화된 의사결정을 통합하는 프레임워크의 부족을 해결하기 위해.
• 생산자가 지불 이전에 노출되거나 도용당할 위험이 있는 의미 정보의 공정하고 프라이버시를 보장하는 교환 문제를 해결하기 위해.
• NFT, 게임 이론 기반 가격 설정, 제로지식 증명을 통합하여 의미 정보 거래의 효율성, 최적화, 프라이버시 보장을 가능하게 하기 위해.
• 도시 계획 분야의 실제 사례 연구를 통해 프레임워크의 실현 가능성과 효율성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 블록체인 상에서 고유하고 거래 가능한 디지털 자산으로서 의미 정보를 비대체 토큰(NFT)으로 토큰화하기.
• 생산자(리더)와 소비자(팔로워) 간의 의미 정보 거래를 위한 최적의 가격 설정 및 구매 전략을 도출하기 위해 스택엘베르크 게임 모델을 수립하기.
• 지불 이전에 의미 정보의 진위성을 입증할 수 있도록 제로지식 증명(ZKP)을 적용하여 실제 내용을 드러내지 않기.
• 거래 성공 후에만 의미 정보가 공유되는 탈중앙화되고 프라이버시를 보장하는 교환 메커니즘을 구현하기.
• 효율적인 블록체인 기록 및 전송을 위해 의미 정보를 축소하여 통신 오버헤드를 감소시키기.
• 도시 계획 분야의 시뮬레이션 기반 사례 연구를 통해 프레임워크를 검증하기.

Figure 1: Difference Between Web 1.0, Web 2.0 and Web 3.0

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화된 웹 3.0 환경에서 의미 정보를 공정하고 효율적으로 교환하면서도 프라이버시를 보존할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 게임 이론 모델링을 활용하여 의미 정보 거래의 최적의 가격 설정 및 구매 전략은 어떻게 유도할 수 있는가?
• RQ3 제로지식 증명을 통해 의미 정보의 안전하고 프라이버시 보장된 교환을 어떻게 실현할 수 있는가? 이는 원본 내용을暴露하지 않더라도 가능하다.
• RQ4 기존의 블록체인-의미 정보 통신 시스템 대비 제안된 프레임워크는 통신 오버헤드를 얼마나 감소시키는가?
• RQ5 의미 정보 교환을 통해 도시 계획과 같은 실제 응용 분야에서 프레임워크는 어떻게 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 메시지당 통신 오버헤드를 1 KB로 줄여 기존 방법(1 MB) 대비 90% 향상되었고, 통합 블록체인-의미 정보 접근 방식(100 KB) 대비 90% 감소시켰다.
• 스택엘베르크 게임 기반 메커니즘이 생산자가 가격 전략을 최적화할 수 있도록 하여 비용과 수익의 균형을 이끌어내며, 비용 파rameter가 증가할수록 수익이 감소하는 경향을 보여 전략적 반응성을 입증하였다.
• 제로지식 증명이 의미 정보의 진위성 확인을 원본 내용을 폭 드러내지 않고 성공적으로 수행하여 지불 전 검증의 공정성과 프라이버시를 보장하였다.
• 시뮬레이션 결과는 이 프레임워크가 특히 데이터 집약적인 분야인 도시 계획과 같은 분야에서 의미 정보의 탈중앙화 거래에서 효율성과 확장성을 크게 향상시킨다는 것을 확인하였다.
• 사례 연구를 통해 이 프레임워크는 도시 설계 의미 정보의 공정하고 추적 가능한 교환을 지원하여, 핵심 설계를 조기에 폭 드러내지 않고도 디자이너 간의 안전한 협업을 가능하게 하였다.

Figure 2: Applications of Blockchain and Semantic Communication-enabled Web 3.0