[논문 리뷰] Delayed Blockchain Protocols

Drew Stone|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 18.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 Proof of Work 블록체인에서 사기 증명을 사용하여 악성 마이너를 지연 지급을 통해 벌하는 방식으로 Proof of Stake의 슬래싱을 모방하는 지연 보상 메커니즘을 제안한다. 향후 보상을 장기적인 정직한 참여와 연결함으로써 프로토콜은 이중 지출 공격을 막는 하위게임 완전 내시 균형을 만들어내며, 정직한 마이너의 보상은 변경하지 않는다.

ABSTRACT

Given the parallels between game theory and consensus, it makes sense to intelligently design blockchain or DAG protocols with an incentive-compatible-first mentality. To that end, we propose a new blockchain or DAG protocol enhancement based on delayed rewards. We devise a new method for imposing slashing conditions on miner behavior, using their delayed rewards as stake in a Proof of Work system. Using fraud proofs, we can slash malicious miner behavior and reward long-lived, honest behavior.

연구 동기 및 목표

• 게임 이론을 활용하여 인centive 구조를 재고함으로써 기존 블록체인 프로토콜의 보안 및 확장성 한계를 해결한다.
• Proof of Stake로의 전환 없이도 Proof of Work 시스템에서 장기적이고 정직한 마이닝 행동을 강제하는 메커니즘을 설계한다.
• 스테이크 기반 벌점과 유사한 지연 보상 조건을 통해 슬래싱 조건을 만들며, 이를 통해 공모나 악성 행동을 막는다.
• 이중 지출을 위한 비용을 증가시켜, 벌을 받은 후 새로운 키 쌍을 재투자하고 추가로 Proof-of-Work를 완료하도록 요구함으로써, 이중 지출에 대한 비용을 체계화한 프레임워크를 정의한다.
• 프로토콜 설계자가 공격 비용과 정직한 보상 간의 균형을 유지하기 위해 (k, d, γ) 매개변수를 조정할 수 있도록 하여 장기적인 시스템 안정성을 확보한다.

제안 방법

• 보상이 k라운드 지연되고 γ로 지수적으로 감소하는 (k,d,γ)-지연 프로토콜을 도입하여 단기 마이너를 벌하는 방식이다.
• 보상 유예 메커니즘을 사용하여, 마이너가 벌을 받은 후 d회의 추가적인 Proof-of-Work를 완료해야 보상을 받을 수 있도록 한다.
• 사기 증명을 활용하여 이중 지출 시도를 탐지하고 검증하며, 이를 통해 향후 보상을 몰수한다.
• 할인된 유틸리티를 고려한 하위게임 완전 내시 균형 분석을 적용하여 특정 매개변수 조건 하에서 정직한 행동이 우세해지는 것을 보여준다.
• 미래 보상이 e^{-γ*k}로 감소하는 보상 감소 함수를 정의하며, γ를 조정하여 일시적 또는 공모하는 마이너를 벌할 수 있다.
• 타임록드 트랜잭션과 글로벌 공개 키 목록(pks^(t))을 유지함으로써 마이너 신원을 추적하고 지연 보상 규칙을 시행하기 위해 마이닝 프로토콜을 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Proof of Work 블록체인에서 지연 보상 메커니즘이 공모와 이중 지출을 막는 k-안정성 하위게임 완전 내시 균형을 만들 수 있는가?
• RQ2 사기 증명을 지연 보상과 통합하여 기반 공인 메커니즘을 변경하지 않고도 스테이크 기반 슬래싱을 모방할 수 있는가?
• RQ3 이중 지출을 비수익성으로 만들기 위해 필요한 매개변수 설정(k, d, γ)은 무엇인가?
• RQ4 γ에 의한 향후 보상의 지수 감소가 공격의 수익성과 균형의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기존의 블록체인 프리미티브인 타임록드 트랜잭션과 공개 키 추적(pks^(t))를 사용하여 (k,d,γ)-지연 프로토콜을 실용적으로 구현할 수 있는가?

주요 결과

• (k,d,γ)-지연 프로토콜은 재진입 비용(d회의 Proof-of-Work 라운드)과 보상 감소(γ)가 공격 수익을 초월할 경우 이중 지출을 비수익성으로 만들 수 있다.
• 이중 지출 공격의 수익성이 성립하는 조건은 ε = O(k * δ^k * e^{-γ*k})이며, 이는 d나 γ를 증가시킬수록 공격의 수익성이 감소함을 의미한다.
• 정직한 마이너는 프로토콜에서 이점을 얻는다. 이들은 시작용 Proof-of-Work를 단 한 번만 완료하면 되지만, 블랙리스트에 올라간 악성 마이너는 블랙리스트 이후 반복적인 비용을 지불해야 한다.
• 할인된 유틸리티가 정직한 행동의 유틸리티를 초월할 경우, 프로토콜은 하위게임 완전 균형을 달성하며, 이는 δ, α, β, k를 포함한 부등식으로 체계화된다.
• γ를 통한 보상 감소는 장기적이고 신뢰할 수 있는 마이너를 유리하게 만들고, 단기적 또는 공모하는 마이너를 벌리기 위해 매개변수화할 수 있다.
• 타임록드 트랜잭션과 글로벌 공개 키 추적(pks^(t))와 같은 기존의 블록체인 프리미티브를 사용하여 프로토콜을 실현할 수 있으며, 이는 후행 호환성 구현을 가능하게 한다.