[논문 리뷰] A Comprehensive Survey on Green Blockchain: Developing the Next Generation of Energy Efficient and Sustainable Blockchain Systems

Tiago M. Fernández‐Caramés, Paula Fraga‐Lamas|arXiv (Cornell University)|2024. 10. 27.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 에너지 효율적인 블록체인 기술에 대한 종합적인 분석을 제시하며, 합의 기법, 네트워크 아키텍처, 데이터 저장소와 같은 핵심 구성 요소를 평가하여 에너지 소비를 줄이는 전략을 규명한다. 논문은 소프트웨어 및 하드웨어 계층 전반에 걸친 지속 가능한 설계를 강조하는 통합적 프레임워크를 제안하며, 에너지 효율적인 분산 원장 시스템 분야의 향후 연구 및 개발을 위한 실질적인 지침을 제공한다.

ABSTRACT

Although Blockchain has been successfully used in many different fields and applications, it has been traditionally regarded as an energy-intensive technology, essentially due to the past use of inefficient consensus algorithms that prioritized security over sustainability. However, in the last years, thanks to the significant progress made on key blockchain components, their energy consumption can be decreased noticeably. To achieve this objective, this article analyzes the main components of blockchains and explores strategies to reduce their energy consumption. In this way, this article delves into each component of a blockchain system, including consensus mechanisms, network architecture, data storage and validation, smart contract execution, mining and block creation, and outlines specific strategies to decrease their energy consumption. For such a purpose, consensus mechanisms are compared, recommendations for reducing network communications energy consumption are provided, techniques for data storage and validation are suggested and diverse optimizations are proposed both for software and hardware components. Moreover, the main challenges and limitations of reducing power consumption in blockchain systems are analyzed. As a consequence, this article provides a guideline for the future researchers and developers who aim to develop the next generation of Green Blockchain solutions.

연구 동기 및 목표

• 블록체인은 초기 비트코인의 작업증명 모델 덕분에 본질적으로 에너지 집약적이라는 널리 퍼진 오해를 바로잡기.
• 합의, 네트워킹, 스토리지, 스마트 계약 실행과 같은 블록체인 시스템 내 주요 에너지 소비 구성 요소를 식별하고 분석하기.
• 소프트웨어 및 하드웨어 계층 전반에 걸친 에너지 절감 전략을 체계적으로 검토하여 지속 가능한 블록체인 개발을 가능하게 하기.
• 규제, 확장성, 상호운용성 장벽과 같은 그린 블록체인 솔루션 구현의 과제와 한계를 부각하기.
• 향후 연구자와 개발자가 에너지 효율적이고 환경에 친화적인 차세대 블록체인 시스템을 설계할 수 있도록 안내하기.

제안 방법

• 에너지 효율성과 보안 간의 트레이드오프 기반으로 합의 기법(예: PoW, PoS, DPoS, PBFT)을 시스템적으로 분류하고 비교하기.
• 네트워크 아키텍처와 통신 패턴을 분석하여 피어 투 피어 통신에서의 에너지 소비를 줄이기 위한 최적화 제안하기.
• 분산 원장 압축 및 효율적 인덱싱과 같은 기법을 활용해 데이터 스토리지 및 검증 기법을 평가하고 스토리지 에너지 사용을 최소화하기.
• 스마트 계약 실행 모델을 평가하고 계산을 외부로 이관하거나 경량 가상 머신을 사용하는 등의 최적화 기법 제안하기.
• 채굴 및 블록 생성 프로세스를 검토하고, 작업증명이나 신뢰 기반 증명과 같은 대안을 평가하여 계산 부담을 줄이기.
• 가능한 범위에서 하드웨어 수준 최적화를 통합하여 전용 프로세서(예: ASIC) 사용, 가역 계산, 삼진 논리 기술 적용하기.

Figure 1: Main components of a blockchain.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 블록체인 시스템에서 주요 에너지 집약적 구성 요소는 무엇이며, 전체 에너지 소비에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 에너지 효율성 측면에서 서로 다른 합의 기법은 어떻게 비교할 수 있으며, 지속 가능한 블록체인 구현에 가장 적합한 것은 무엇인가?
• RQ3 데이터 스토리지, 네트워킹, 스마트 계약 실행과 같은 블록체인 구성 요소의 에너지 소비를 줄이기 위해 소프트웨어 및 하드웨어 수준 최적화를 어떻게 적용할 수 있는가?
• RQ4 블록체인 시스템에 에너지 절감 전략을 구현할 때의 주요 기술적, 규제적, 거버넌스 과제는 무엇인가?
• RQ5 확장성, 보안성, 성능을 훼손하지 않으면서 장기적인 지속 가능성을 확보하기 위해 향후 블록체인 시스템은 어떻게 설계되어야 하는가?

주요 결과

• 기초가 되는 작업증명(PoW) 합의 기법은 높은 에너지 소비를 보이며, 단일 비트코인 거래가 평균 독일 가정의 수주 분량의 에너지 소비에 해당한다.
• 최근의 대안 기법인 작업증명(PoS) 및 기타 합의 기법은 에너지 소비를 크게 줄이며, 일부 시스템은 대규모 데이터 센터의 절반 이하 에너지만 소비한다.
• 메시지 전파를 줄이고 효율적인 라우팅을 적용함으로써 네트워크 통신을 최적화하면 피어 투 피어 네트워크 전반에서 에너지 소비를 측정 가능한 수준으로 줄일 수 있다.
• 데이터 압축, 선택적 스토리지, 효율적 인덱싱 구조 사용과 같은 기법을 통해 데이터 스토리지 및 검증을 더욱 효율적으로 만들 수 있으며, 장기적 스토리지 에너지 수요를 감소시킬 수 있다.
• 가역 계산 및 삼진 논리와 같은 하드웨어 수준 혁신은 이론적으로는 유망하지만, 충분한 실증 검증과 상용 하드웨어 지원이 부족하여 대규모 구현에는 어려움이 있다.
• 진전이 있음에도 불구하고, 규제 일치, 이해관계자 간 협업, 효율성 향상으로 인한 전체 사용 증가(반동 효과) 방지 등의 과제가 남아 있으며, 통합적인 지속 가능성 설계의 필요성을 강조한다.

Figure 2: Types of hardware for blockchain mining.