[논문 리뷰] A Survey of State-of-the-Art on Blockchains: Theories, Modelings, and Tools

Huawei Huang, Wei Kong외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 07.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 162인용 수 26

한 줄 요약

이 종합적 서베이는 애플리케이션 중심의 기존 문헌이 주로 집중하는 바탕이 되는 이론, 분석 모델, 실험 도구에 대한 체계적인 분석을 제공하며 중요한 격차를 메운다. 블록체인의 공인 메커니즘, 스파티얼링, 확장성, 상호운용성 분야에서 최신 연구를 분류하여 블록체인 시스템 및 네트워크 분야의 연구자와 전문가를 위한 비전도를 제공한다.

ABSTRACT

To draw a roadmap of current research activities of the blockchain community, we first conduct a brief overview of state-of-the-art blockchain surveys published in the recent 5 years. We found that those surveys are basically studying the blockchain-based applications, such as blockchain-assisted Internet of Things (IoT), business applications, security-enabled solutions, and many other applications in diverse fields. However, we think that a comprehensive survey towards the essentials of blockchains by exploiting the state-of-the-art theoretical modelings, analytic models, and useful experiment tools is still missing. To fill this gap, we perform a thorough survey by identifying and classifying the most recent high-quality research outputs that are closely related to the theoretical findings and essential mechanisms of blockchain systems and networks. Several promising open issues are also summarized finally for future research directions. We wish this survey can serve as a useful guideline for researchers, engineers, and educators about the cutting-edge development of blockchains in the perspectives of theories, modelings, and tools.

연구 동기 및 목표

• 블록체인 시스템의 이론적 기초, 분석 모델, 실험 도구에 전념한 서베이 부족 문제를 해결하기 위해.
• 블록체인의 핵심 메커니즘과 이론적 기반과 관련된 고품질 연구 성과를 식별하고 분류하기 위해.
• 공인 프로토콜, 스파티얼링, 확장성, 상호운용성와 같은 핵심 분야에서 블록체인 연구의 체계적 분류 체계를 제공하기 위해.
• 학계 및 산업 발전을 위한 블록체인 이론, 모델링, 도구 분야의 열린 문제와 향후 연구 방향을 부각하기 위해.

제안 방법

• 최근 블록체인 서베이 논문 67편을 체계적으로 수집하고 분석하여 트렌드와 연구 격차를 파악했다.
• 블록체인 핵심 요소, 클라이언트 행동, AI/게임 이론 통합, 통신 기법, 응용 분야별 서베이 등 카테고리 기반으로 7개의 주제 그룹으로 기존 서베이를 분류했다.
• 블록체인 행동을 위한 큐잉 이론, 확률적 모델, 게임 이론 프레임워크를 포함한 이론적 모델에 대한 세부 검토를 수행했다.
• 실험적 검증을 위한 기존 블록체인 시뮬레이션 및 에뮬레이션 도구를 평가하고 분류했다.
• 암호화폐 블록체인의 프라이버시 보존 메커니즘, 악성 코인 채굴 방지, 보안 모델링 분야의 주요 과제를 규명했다.
• 확장성, 성능 모델링, 안전한 프로토콜 설계 분야의 해결되지 않은 문제들을 비판적으로 분석하여 향후 연구 방향을 제안했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근 블록체인 연구에서 주로 사용되는 이론적 접근 및 모델링 기법은 무엇인가?
• RQ2 현재의 분석 모델은 실제 환경 조건 하에서 거래 도착, 블록 채굴, 시스템 성능을 어떻게 반영하는가?
• RQ3 기존의 블록체인 시뮬레이션 및 에뮬레이션 플랫폼이 실험적 검증을 위해 겪는 주요 제약은 무엇인가?
• RQ4 특히 프라이버시, 코인 채굴 악성 사용, 다중 블록체인 공격 역학에 관해 남아 있는 열린 문제들은 무엇인가?
• RQ5 일반화된 큐잉 이론 및 확률적 모델과 같은 고급 모델링 기법은 어떻게 블록체인 시스템 행동을 더 잘 이해하는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 응용 중심의 서베이가 많음에도 불구하고, 블록체인 이론, 모델링, 도구에 중점을 둔 종합적 서베이 부족이 뚜렷한 연구 격차로 존재한다.
• 공인 프로토콜, 스파티얼링, 확장성은 가장 활발히 연구되고 있는 이론적 분야이며, 공식적 모델링과 성능 분석에 대한 관심이 증가하고 있다.
• 기존의 블록체인 시뮬레이션 도구는 확장성과 배포 용이성 측면에서 제한되어 있어 신규 연구자와 프로토콜 평가자들에게 장벽을 만들고 있다.
• 특히 공식적 모델링과 위협 분석 측면에서, 프라이버시 보존 메커니즘과 악성 코인 채굴 방지 전략은 여전히 미흡한 상태이다.
• 실제 거래 및 블록 도착 패턴을 더 잘 반영하기 위해 일반화된 확률적 모델 및 큐잉 모델이 강력히 필요하다.
• 향후 연구는 다중 블록체인 환경에서 채굴자 행동과 공격에 대한 내성적 저항력을 분석하기 위해 게임 이론 및 인centive 기반 모델의 통합을 우선시해야 한다.