[논문 리뷰] Bitcoin Cooperative Proof-of-Stake

Stephen L. Reed|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 22.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 블록체인의 핵심 인variants를 유지하면서도, 하드포크를 통해 비트코인의 작업증명 기반 기반의 합의 기반을 협력형 스테이크 기반 합의 메커니즘으로 대체하는 것을 제안한다. 이는 위변조를 드러내는 로그와 신뢰할 수 있는 백본 노드 네트워크를 활용하여 밀리초 수준의 거래 처리를 가능하게 한다. 이 시스템은 비트코인의 핵심 인variants를 유지하면서도, 거래 수수료를 낮추고 확인 시간을 단축하며 스테이크 보유자에게 배당금을 지급할 수 있도록 가능한 확장성 있고 기업용 수준의 인프라를 제공한다.

ABSTRACT

A hard-fork reconfiguration of the peer to peer Bitcoin network is described that substitutes tamper-evident logs and proof-of-stake consensus for proof-of-work consensus. The block creation rewards and transaction fees are reallocated to establish and staff a secure financial data network capable of handling the world's transactions with subsecond response time. The new system pays dividends to stake-offering bitcoin holders. In contrast to Satoshi Nakamoto's mesh network consisting of competing peers, this system uses an enterprise class network that is efficient, robust, and scalable, consisting of cooperating peers. The network backbone nodes host trustless nomadic agents. Thousands of distributed full nodes are paid to replicate a singleton blockchain built upon every 10 minutes by a nomadic mint agent whose actions are verified by its peers. This arrangement enables immediate acknowledgment to an issuing node that its transaction has been accepted. Less effort means that subsidized transaction costs will be lower. Network reconfiguration enables the processing of numerous microtransactions. Stake-weighted distributed consensus is achieved when necessary with less than one-half arbitrarily faulty nodes. Important invariants of the Satoshi Social Contract between core developers and users are maintained: The reward schedule, the blockchain format, the fixed number of bitcoins, and the decentralized, trustless protocol are untouched. The system remains a global distributed database, with additions to the database by consent of the majority, based on a set of transparent rules they follow.

연구 동기 및 목표

• 탈중앙화와 신뢰 없는 환경을 유지하면서도 확장성, 속도, 비용 효율성을 향상시키기 위해 비트코인의 합의 기반 기반을 재설계한다.
• 에너지 소비를 줄이고 네트워크 효율성을 높이기 위해 작업증명을 협력형 스테이크 기반 모델로 대체한다.
• 백본 노드 네트워크와 이동성 에이전트를 통해 즉각적인 거래 확인과 마이크로트랜잭션 처리를 가능하게 한다.
• 원래 비트코인 프로토콜의 핵심 인variants, 즉 고정된 2100만 개의 비트코인 발행량과 블록체인 포맷을 유지한다.
• 저지연 시간 확인을 통해 글로벌 거래량을 처리할 수 있는 안정적이고 확장 가능한 금융 데이터 네트워크를 구축한다.

제안 방법

• 비트코인의 페어 투 페어 작업증명 네트워크를 신뢰할 수 있는 백본 노드로 구성된 협력형 기업용 네트워크로 대체한다.
• 매 10분마다 새로운 블록을 생성하는 이동성 머니 에이전트를 도입하여, 이를 동료 노드가 검증함으로써 유일한 블록체인을 유지한다.
• 분산형 전체 노드에서 블록체인 상태의 감사 가능성과 무결성을 보장하기 위해 위변조를 드러내는 로그를 사용한다.
• 블록 보상과 거래 수수료를 비트코인 스테이크를 제공하는 스테이커에게 재분배함으로써 배당 기반의 인cent라이브 모델을 구현한다.
• 스테이크 가중치 기반 합의를 적용하여, 노드의 절반 이하가 고의로 오작동하더라도 합의를 달성할 수 있도록 한다.
• 원래 비트코인 프로토콜의 규칙, 즉 고정된 발행 일정과 탈중앙화된 신뢰 없는 아키텍처를 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화를 훼손하지 않으면서도 비트코인의 합의 기반 기반을 재구성하여 밀리초 수준의 거래 확인을 달성할 수 있는가?
• RQ2 핵심 프로토콜 인variants를 유지하면서도 작업증명을 협력형 스테이크 기반 모델로 대체하기 위해 필요한 아키텍처적 변화는 무엇인가?
• RQ3 신뢰할 수 있는 노드와 이동성 에이전트로 구성된 백본 네트워크를 사용하여 신뢰 없는 환경을 유지하면서도 확장성 있고 저지연 시간의 금융 네트워크를 구축할 수 있는가?
• RQ4 스테이크 기반 보상 모델을 통해 거래 수수료를 어떻게 보조하고 비용을 절감할 수 있는가?
• RQ5 악성 조건 하에서 협력형 스테이크 기반 시스템에서 달성 가능한 고장 내성 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 백본 노드와 이동성 에이전트로 구성된 협력 네트워크를 통해 즉각적인 거래 확인을 가능하게 한다.
• 계산 자원 소모가 감소하고 네트워크 운영이 보조 지원되므로 거래 수수료가 크게 낮아질 것으로 예상된다.
• 시스템은 원래 비트코인 블록체인 포맷, 고정된 2100만 개의 비트코인 발행량, 발행 일정을 유지하여 핵심 프로토콜 인variants를 그대로 보존한다.
• 스테이크 가중치 기반 합의로 인해, 노드의 절반 이하가 고의로 오작동하더라도 네트워크 가용성과 일관성이 유지된다.
• 백본 네트워크는 밀리초 수준의 반응 시간을 지원하여 고빈도의 마이크로트랜잭션 처리를 가능하게 한다.
• 배당금 지급을 통해 전체 노드가 블록체인 복제에 동기를 부여함으로써 장기적인 네트워크 무결성과 참여를 보장한다.