[논문 리뷰] Cryptocurrencies without Proof of Work

Iddo Bentov, Ariel Gabizon외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 22.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 17인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 에너지 소모가 심한 작업 증명(Proof of Work, PoW)을 제거하면서도 보안성과 안정성을 향상시킨 새로운 순수 작업 증명 기반이 아닌 스테이킹 기반(Proof of Stake, PoS) 암호화폐 프로토콜인 CoA와 Dense-CoA를 제안한다. PoW 채굴에서 코인 발행를 분리하고 최소한의 PoW 블록 간격을 통해 고정비용의 코인 발행를 도입함으로써, 인플레이션 예측 가능성을 보장하고 환율 안정성을 확보함으로써 기존 PoS 시스템에서 발생하는 비용 없이 시뮬레이션 가능한 공격 등의 위험을 완화한다.

ABSTRACT

We study decentralized cryptocurrency protocols in which the participants do not deplete physical scarce resources. Such protocols commonly rely on Proof of Stake, i.e., on mechanisms that extend voting power to the stakeholders of the system. We offer analysis of existing protocols that have a substantial amount of popularity. We then present our novel pure Proof of Stake protocols, and argue that they help in mitigating problems that the existing protocols exhibit.

연구 동기 및 목표

• 순수 PoS 기반 암호화폐가 단지 스테이킹 기반 합의에 의존할 경우 보안성과 안정성에 빈도수 높은 결함이 존재한다는 문제를 해결하기 위해.
• 비트코인과 같은 PoW 기반 시스템이 전력과 하드웨어와 같은 물리적 희소 자원을 고갈시키는 것과는 달리, 물리적 희소 자원 고갈을 방지하는 탈중앙화된 암호화폐 프로토콜을 설계하기 위해.
• PoW나 연소 증명(Proof-of-Burn)에 의존하지 않고도 공정하고 안정적인 분배를 보장하는 초기 코인 발행 메커니즘을 제안하기 위해.
• 기존 PoS 설계에서 흔히 발생하는 비용 없이 시뮬레이션 가능한 공격 및 자기 스테이킹 공격과 같은 전략적 공격에 대한 강건성을 향상시키기 위해.
• 순수 PoS 시스템에서 체크포인팅의 필요성을 정식화하고 분석하며, 계산 작업이 없는 점을 고려할 때 PoW 시스템보다 더 중요하다는 점을 밝히기 위해.

제안 방법

• 코인 암호와 보유 시간의 곱에 비례하는 블록 생성 확률을 보장함으로써 공정한 분배와 중심화 경향 감소를 도모하는 CoA(Coin Age) 프로토콜을 제안한다.
• 초기 코인 발행를 위해 고정 난이도 PoW 메커니즘을 도입하고, 평균 최소 블록 간격(예: 1분)을 유지함으로써 코인 발행 비용을 안정화하고 급격한 인플레이션을 방지한다.
• 신규로 발행된 PoW 코인은 CoA 체인에서 사용 가능해지기 전에 n > 100개의 PoW 블록을 거쳐야 하는 매몰 조건을 도입함으로써 보안성을 강화하고 프론트런닝 공격을 방지한다.
• 더 빈번한 블록 생성이 가능하면서도 시간 잠금 스테이킹 기여를 통해 보안성을 유지하는 Dense-CoA를 변형으로 제안함으로써 공정성과 효율성을 향상시킨다.
• PoW를 초기 분배에만 사용하고 주 체인은 더 이상 PoW 채굴 없이 순수 PoS로 운영되는 하이브리드 발행 모델을 적용한다.
• 순수 PoS 시스템의 레지스트리 역사에 체크포인팅을 적용하며, 계산 작업이 없는 점을 고려할 때 PoW 시스템보다 더 중요한 보안 기반 요소로 간주하여 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적 희소 자원(예: 전력, 하드웨어)을 소모하지 않고도 탈중앙화된 암호화폐가 보안성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 순수 PoS 시스템에서 가격 변동성 문제를 해결하기 위해 안정적이고 예측 가능한 코인 발행 메커니즘을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 기존 순수 PoS 프로토콜의 취약점은 무엇이며, 새로운 합의 메커니즘을 통해 어떻게 보완할 수 있는가?
• RQ4 왜 순수 PoS 시스템에서는 PoW 시스템보다 체크포인팅이 더 중요하며, 어떻게 구현되어야 하는가?
• RQ5 PoW 기반의 발행 단계를 어떻게 설계하면 주 체인이 순수 PoS 기반임을 유지하면서도 공정하고 안정적인 초도 분배를 보장할 수 있는가?

주요 결과

• CoA 프로토콜은 블록 생성 확률이 코인 암호에 비례함으로써 중심화 위험을 감소시키고 단순 PoS 대비 공정성을 향상시킨다.
• PoW 난이도를 고정하고 최소 블록 간격(예: 1분)을 유지함으로써 신규 코인 발행 비용을 안정화시켜 비트코인의 동적 난이도 시스템에서 발생하는 극심한 가격 변동성 문제를 방지한다.
• 신규로 발행된 PoW 코인은 CoA 체인에서 사용 가능해지기 전에 n > 100개의 PoW 블록을 거쳐야 하는 조건을 도입함으로써 보안성을 강화하고 프론트런닝 공격을 방지한다.
• CoA 시스템은 PoW 발행를 주 PoS 합의에서 분리함으로써 PPCoin에서 발생하는 비용 없이 시뮬레이션 가능한 공격을 불가능하게 하여, 공격자가 실제 자원 비용 없이 긴 체인을 시뮬레이션하는 것을 방지한다.
• Dense-CoA는 시간 잠금 스테이킹 기여를 통해 보안성을 유지하면서 더 빈번한 블록 생성이 가능하게 하여 효율성을 향상시키며, 속도와 공정성 사이의 트레이드오프를 제공한다.
• 체크포인팅은 순수 PoS 시스템에서 필수적이다. 계산 작업이 없기 때문에 레지스트리가 재조정 공격에 더 취약하며, 특히 이성적 또는 공모하는 스테이커 존재 시 더욱 심각한 위협이 된다.