[논문 리뷰] Blockchain moderated by empty blocks to reduce the energetic impact of crypto-moneys

Philippe Jacquet, Bernard Mans|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 23.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 27인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 프로토콜을 제안하며, 비용이 많이 드는 작업 증명(Proof-of-Work)을 제거하기 위해 nonce 대신 제어 가능한 '빈 블록'의 순서를 도입하여 블록 채굴 속도를 조절한다. 이 방식은 네트워크 크기와 관계없이 조절 가능하고 경계된 채굴 동시성 보장을 통해 에너지 효율성, 확장성 및 51% 공격에 대한 저항력을 확보한다. 녹색 리더 선출 유사 모델과 게임 이론적 분석을 통해 이를 실현한다.

ABSTRACT

While cryptocurrencies and blockchain applications continue to gain popularity, their energy cost is evidently becoming unsustainable. In most instances, the main cost comes from the required amount of energy for the Proof-of-Work, and this cost is inherent to the design. In addition, useless costs from discarded work (e.g., the so-called Forks) and lack of scalability (in number of users and in rapid transactions) limit their practical effectiveness. In this paper, we present an innovative scheme which eliminates the nonce and thus the burden of the Proof-of-Work which is the main cause of the energy waste in cryptocurrencies such as Bitcoin. We prove that our scheme guarantees a tunable and bounded average number of simultaneous mining whatever the size of the population in competition, thus by making the use of nonce-based techniques unnecessary, achieves scalability without the cost of consuming a large volume of energy. The technique used in the proof of our scheme is based on the analogy of the analysis of a green leader election. The additional difference with Proof-of-Work schemes (beyond the suppression of the nonce field that is triggering most of the waste), is the introduction of (what we denote as) "empty blocks" which aim are to call regular blocks following a staircase set of values. Our scheme reduces the risk of Forks and provides tunable scalability for the number of users and the speed of block generation. We also prove using game theoretical analysis that our scheme is resilient to unfair competitive investments (e.g., "51 percent" attack) and block nursing.

연구 동기 및 목표

• 비트코인과 같은 암호화폐에서 작업 증명의 지속 가능하지 않은 에너지 소비 문제를 해결하기 위해.
• nonce 기반 채굴로 인한 계산 자원 낭비를 제거하고 에너지 비용을 지속 가능한 수준으로 낮추기 위해.
• 에너지 소모가 높은 채굴에 의존하지 않고도 확장성 있고 공정하며 안전한 블록 생성을 달성하기 위해.
• 채굴자 참여 여부에 관계없이 라이브니스와 공정성을 유지하는 허가 없는 분산 프로토콜을 설계하기 위해.
• 51% 공격 및 블록 난영과 같은 일반적인 공격에 대한 저항력을 게임 이론적 모델링을 통해 입증하기 위해.

제안 방법

• 기존의 작업 증명을 대체하여, 정규적인 블록 생성을 제어 가능한 계단식 트리거 역할을 하는 '빈 블록'의 순서로 구성한다.
• 성공 확률의 기하급수적 증가를 기반으로 블록 생성 확률을 조절하여 조절 가능한 채굴 속도를 도입한다.
• 중앙 기관에 의존하지 않는 분산적이고 암묵적인 빈 블록 채굴 메커니즘을 사용한다.
• 채굴 시도의 평균 동시성의 경계를 보장하기 위해 녹색 리더 선출 유사 모델을 사용하여 모델링하고 증명한다.
• 인centive 분석을 위해 게임 이론 프레임워크를 활용하여, 블록 난영과 같은 부정직한 전략이 보다 덜 유리함을 입증한다.
• 메린 변환을 통한 점근적 분석을 통해, 상대적 계산 능력에 따라 채굴 성공 확률의 장기적 함수를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 낭비를 줄이고 보안성과 확장성을 유지하면서도 작업 증명의 에너지 낭비를 제거할 수 있는 블록체인 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 계산 퍼즐에 의존하지 않고도 허가 없는 분산 시스템에서 블록 채굴 속도를 어떻게 조절할 수 있는가?
• RQ3 채굴자 참여도의 변화가 제안된 체계에서 평균 동시 채굴 시도 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 51% 공격 및 블록 난영과 같은 전략적 공격에 대해 프로토콜이 저항력이 있는가?
• RQ5 개별 계산 능력에 의존하지 않고도 채굴 성공 확률를 공정하게 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜은 네트워크 크기와 관계없이 조절 가능하고 경계된 평균 동시 채굴 시도 수를 보장한다.
• nonce를 제거하고 제어 가능한 빈 블록의 순서로 대체함으로써 에너지 낭비의 대부분을 제거함으로써 에너지 효율성을 달성한다.
• 두 채굴자가 동일한 능력을 가질 경우 성공 확률이 1/2로 수렴하고, 한 채굴자의 능력이 우세해지면 점차 0으로 수렴함을 입증하여 공정성을 입증한다.
• 상대적 계산 능력 $ x $ 를 갖는 채굴자의 장기적 성공 확률을 나타내는 함수 $ L(x) $ 는 $ L(1) = 1/2 $, $ \lim_{x\to 0} L(x) = 1 $, 그리고 $ \lim_{x\to\infty} L(x) = 0 $ 를 만족하며, 이는 51% 공격에 대한 저항력을 확인한다.
• 블록 난영 전략은 솔직한 채굴보다 본질적으로 보상이 낮기 때문에, 프로토콜은 블록 난영에 대해 증명 가능하게 저항력이 있다.
• 점근적 분석 결과, 성공 확률 함수 $ L(x) $ 는 큰 $ x $ 에 대해 $ \sim \frac{p - 1/p}{2x\log p} $ 와 같이 행동함을 확인하여 과도한 투자에 대한 수익 감소를 입증한다.