[논문 리뷰] A Memo on the Proof-of-Stake Mechanism

George Gui, Alı Hortaçsu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 14.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 카스퍼 제안서에 따른 이더리움의 합의 기반 증명(PoS) 메커니즘의 경제적 인cent티브를 분석하여, 공격자가 예치한 자산을 통해 큰 주식 비용을 지불하게 됨으로써 이중 지출 및 파괴 공격에 대한 보안성이 향상됨을 보여준다. 증명의 작업(PoW)과 달리, PoS는 공격자가 전력 소비와 같은 유량 비용 외에도 상당한 비율의 예치 자산을 묻고 잃을 위험을 지닌다. 이는 기회비용과 자산의 영구적 손실로 인해 공격가능성이 떨어지게 하여 경제적으로 비합리적이게 만든다.

ABSTRACT

We analyze the economic incentives generated by the proof-of-stake mechanism discussed in the Ethereum Casper upgrade proposal. Compared with proof-of-work, proof-of-stake has a different cost structure for attackers. In Budish (2018), three equations characterize the limits of Bitcoin, which has a proof-of-work mechanism. We investigate their counterparts and evaluate the risk of double-spending attack and sabotage attack. We argue that PoS is safer than PoW agaisnt double-spending attack because of the tractability of attackers, which implies a large "stock" cost for the attacker. Compared to a PoW system whose mining equipments are repurposable, PoS is also safer against a sabotage attack.

연구 동기 및 목표

• 이더리움의 카스퍼 업그레이드에서 합의 기반 증명(PoS)의 경제적 인센티브와 보안 특성을 평가하기 위해.
• 이중 지출 및 파괴 공격에 대해 합의 기반 증명(PoS)과 증명의 작업(PoW) 간의 공격자 비용 구조를 비교하기 위해.
• PoS에서의 주식 비용(예치 자산의 손실 등)이 PoW의 유량 비용보다 악성 행동에 대한 더 강력한 제재를 제공하는 방식을 분석하기 위해.
• 예치 자산이 재사용 불가능하고 가치가 높기 때문에 PoS가 이중 지출 및 파괴 공격에 대해 PoW보다 더 안전하다는 것을 입증하기 위해.
• 블록 보상, 예치 비용, 공격 가치 간의 관계를 바탕으로 공격자가 공격을 시도하지 않는 평형 조건을 유도하기 위해.

제안 방법

• 검증자가 이더를 예치하여 오작동할 경우 이를 잃는 이더리움의 카스퍼 제안서에서의 PoS 메커니즘을 모델링한다.
• 버디시드(2018)의 프레임워크를 적용하여 공격자 인센티브를 분석하고 주식 비용 대 유량 비용을 중심으로 분석한다.
• 할인 현금흐름 모델을 사용하여 예치의 기회비용을 이더리움 가격과 연계하고 공식 $ C = \frac{c}{1 - \beta} $ 를 통해 평형 예치 비용을 유도한다.
• PoS와 PoW의 공격자 비용을 비교하여 PoS는 주식 비용(예치 자산의 손실)을 부과하는 반면, PoW는 유량 비용(전기료)을 부과함을 보여준다.
• 공격이 억제되는 임계 조건 $ P_{\text{block}} > \frac{V_{\text{attack}}}{\alpha_{\text{ether}}} $ 를 유도하며, 여기서 $ \alpha_{\text{ether}} \approx 10^6 $ 이다.
• 불량 검증자를 감지하고 제재하기 위해 오프라인 협력과 검증자 보고의 역할을 분석하며, 특히 충돌하는 최종 확인 체크포인트의 경우에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 합의 기반 증명(PoS)의 비용 구조는 증명의 작업(PoW)과 비교해 이중 지출 공격을 억제하는 데 어떻게 다를까?
• RQ2 PoS에서 이중 지출 공격을 성공적으로 수행하기 위해 공격자가 필요한 최소 예치금은 얼마이며, 이는 공격의 경제적 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 채굴 하드웨어가 재사용 불가능할 경우 PoS가 파괴 공격에 대해 왜 PoW보다 더 견고한가?
• RQ4 PoS에서의 예치 기회비용은 PoW에서의 전기료 유량 비용과 비교해 악성 행동을 억제하는 데 어떻게 더 효과적인가?
• RQ5 오프라인 협력은 악성 검증자로부터 발생한 충돌을 해결하는 데 어떤 역할을 하는가? 그리고 이는 PoS 시스템의 전체 보안에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• PoS는 공격자가 예치 자산을 묻고 손실 위험을 지닌 비재사용 가능한 자산을 확보해야 하므로 PoW보다 이중 지출 공격에 더 안전하다.
• PoS에서의 공격자 비용은 주식 비용(예치 자산의 손실)이며, 이는 PoW의 유량 비용(전기료)보다 훨씬 높아 공격이 경제적으로 비합리적이게 된다.
• 이중 지출 공격의 경우, 공격자는 총 예치 자산의 최소 50% 이상이 필요하며, 이 자산을 확보하고 손실당하는 비용은 $ \frac{1}{2(1 - \beta)} N^* c $ 비례한다. 여기서 $ \alpha_{\text{ether}} \approx 10^6 $ 이므로 막대한 억제 효과를 나타낸다.
• 모델은 억제의 임계 조건이 $ P_{\text{block}} > \frac{V_{\text{attack}}}{\alpha_{\text{ether}}} $ 라고 유도되며, $ \alpha_{\text{ether}} $ 는 PoW의 해당 계수보다 훨씬 크기 때문에 더 강력한 보안을 의미한다.
• 파괴 공격의 경우, 채굴 하드웨어가 재사용 불가능할 때 PoS는 PoW보다 더 안전하다. PoS에서는 공격자가 예치 자산의 전액을 잃지만, PoW에서는 전기료 비용만 손실당한다.
• 공격이 실패하더라도 PoS에서는 예치 자산의 영구적 손실이 발생하여 강력한 제재가 되지만, PoW에서는 악성 채굴자가 하드웨어를 회수하고 다른 곳에 재투자할 수 있기 때문에 그렇지 않다.