[논문 리뷰] A PoW-less Bitcoin with Certified Byzantine Consensus

Marco Benedetti, Francesco De Sclavis외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 14.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 신뢰할 수 있는 검증자 연합을 기반으로 한 허가된, PoW를 사용하지 않는 비트코인 변종을 제안한다. 이는 인증된 비잔티노스 결함내성(BFT) 합의 프로토콜과 개선된 FROST 임계값 서명 기법을 결합하여 결정론적 최종성과 강력한 결함 내성 성능을 달성한다. 시스템은 비트코인의 핵심 암호 기법과 데이터 구조를 유지하면서, CBDC 및 기업용 블록체인에 적합한 안전하고 효율적이며 동적 재구성 가능한 합의 메커니즘으로 PoW를 대체한다.

ABSTRACT

Distributed Ledger Technologies (DLTs), when managed by a few trusted validators, require most but not all of the machinery available in public DLTs. In this work, we explore one possible way to profit from this state of affairs. We devise a combination of a modified Practical Byzantine Fault Tolerant (PBFT) protocol and a revised Flexible Round-Optimized Schnorr Threshold Signatures (FROST) scheme, and then we inject the resulting proof-of-authority consensus algorithm into Bitcoin (chosen for the reliability, openness, and liveliness it brings in), replacing its PoW machinery. The combined protocol may operate as a modern, safe foundation for digital payment systems and Central Bank Digital Currencies (CBDC).

연구 동기 및 목표

• 비트코인의 기술 스택이 PoW 없이도 허가된, 신뢰할 수 있는 검증자 환경에서 재사용 가능한지 탐색하기 위해.
• 중앙집중화되거나 허가된 환경에서는 자원 기반 합의가 불필요하고 보안상 위험하기 때문에, PoW의 한계를 해결하기 위해.
• 비트코인의 신뢰성과 개방성을 유지하면서도 결정론적 최종성을 제공하는, 안전하고 효율적이며 동적으로 재구성 가능한 합의 프로토콜을 설계하기 위해.
• 수정된 PBFT와 FROST 임계값 서명을 기반으로 한 현대적이고 안전하며 확장 가능한 디지털 결제 시스템 또는 CBDC의 기초로 활용 가능한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 허가된 검증자 연합 기반의 Proof-of-Authority (PoA) 모델로 비트코인의 PoW 합의를 대체하기 위해.
• N명의 검증자로 구성된 네트워크에서 최대 F건의 장애를 견딜 수 있도록 장애 내성과 비잔티노스 내성 보장을 위한 수정된 실용적 비잔티노스 결함내성(PBFT) 프로토콜을 통합하기 위해.
• 블록 서명을 안전하고 기밀리스트로 집계하기 위해 개선된 유연한 라운드 최적화 샤우르 임계값 서명(FROST) 기법을 활용하여, 쿼orum 기밀성 유지 및 동적 키 관리 가능하게 하기 위해.
• 검증자 주도권을 회전시키고 공정성을 확보하기 위해 암호학적 소트리션(Verifiable Random Functions, VRF)을 활용하기 위해.
• 투표 권한을 블록체인 상의 비동일성 토큰(NFT)으로 표현하여, 블록체인 리셋 없이도 검증자 집단의 동적 재구성 가능하게 하기 위해.
• 라이트닝 기반의 두 번째 레이어 결제 채널 네트워크를 설계하여, 허가된 환경에 최적화해 확장성과 프라이버시 향상시키기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허가된, 신뢰할 수 있는 검증자 환경에서 비트코인의 핵심 암호 기법 및 데이터 구조 스택을 유지하면서도 PoW 합의 메커니즘을 제거할 수 있는가?
• RQ2 비잔티노스 결함내성 합의 프로토콜을 효율적으로 임계값 서명과 융합하여, 허가된 블록체인에서 보안성과 성능을 동시에 확보할 수 있는가?
• RQ3 블록체인 리셋 없이도 보안을 해치지 않으면서 검증자 집단의 동적 재구성은 어떤 메커니즘이 가능할 수 있는가?
• RQ4 회전하는 주도 검증자 리더를 갖는 BFT 기반 블록체인에서 공정성과 콘텐츠 검열에 저항할 수 있는가?
• RQ5 결과적으로 이 시스템이 중앙은행 디지털 통화(CBDC)에 대해 실현 가능하고, 안전하며 효율적인 기반으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 인증된 비잔티노스 합의 프로토콜을 통해 결정론적 최종성이 달성되어, 비잔티노스 장애 상황에서도 안전성과 라이프니스를 보장한다.
• 개선된 FROST 임계값 서명 기법의 통합을 통해 블록 서명의 안전하고 기밀리스트 집계가 가능해져, 검증자 쿼럼의 기밀성이 유지된다.
• 투표 권한을 NFT 기반으로 표현함으로써 검증자 집단의 동적 재구성이 가능해졌으며, 키 갱신, 구성원 추가 및 제거가 블록체인 리셋 없이 수행된다.
• 검증자 주도권을 Verifiable Random Functions (VRF)를 활용해 회전시켜 공정성이 향상되었으며, 비잔티노스 주도 검증자가 거래를 검열하는 것을 방지한다.
• 시스템은 비트코인의 강력한 암호 기법과 데이터 구조를 그대로 이식하여, 허가된 블록체인 및 CBDC를 위한 안전하고 개방적이며 확장 가능한 기반을 제공한다.
• PoW 없는 비트코인 변종이 비트코인의 신뢰성과 개방성을 유지하면서도, 규제 기반의 고가용성 금융 시스템에 적합함을 입증하였다.