[논문 리뷰] HEB: Hybrid Expenditure Blockchain

Itay Tsabary, Alexander Spiegelman외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 11.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 5

한 줄 요약

HEB는 계산 자원 낭비를 외부 실세계 지출(예: 전기료 또는 기부금)로 대체하면서도 합리적 공격에 대한 보안을 유지하는 조정 가능한 작업 증명(Proof-of-Work, PoW) 암호화폐 프로토콜을 소개한다. 프로토콜 설계자가 외부 약속을 통해 채굴 비용을 조정할 수 있도록 함으로써, HEB는 PoW 블록체인의 환경적 영향을 크게 줄이면서도 보안을 유지한다.

ABSTRACT

The study of Proof of Work (PoW) has culminated with the introduction of cryptocurrency blockchains like Bitcoin. These protocols require their operators, called miners, to expend computational resources and they reward them with minted cryptocurrency tokens. The system is secure from attackers who cannot expend resources at a rate equivalent to that of all benign miners. But the resource requirement is arbitrary - the product of the number of minted tokens and their real value. We present Hybrid Expenditure Blockchain (HEB), a novel cryptocurrency PoW protocol that allows its designer to tune external expenditure. To the best of our knowledge, this is the first tunable PoW protocol. Despite the reduced resource expenditure, it maintains the security guarantees of pure PoW protocols against rational attacks. HEB has practical implications, as global power expenditure on PoW blockchains exceeds that of a medium-sized country. Applying HEB in operational PoW systems can significantly reduce their ecological footprint.

연구 동기 및 목표

• 비트코인과 같은 기존 PoW 블록체인의 높고 임의적인 에너지 소비 문제를 해결하기 위해.
• 채굴 비용을 계산 능력이 아닌 실세계 지출을 통해 조정 가능한 PoW 프로토콜을 설계하기 위해.
• 자원 소비가 감소했음에도 불구하고 합리적 공격자에 대한 강력한 보안 보장을 유지하기 위해.
• PoW 기반 암호화폐의 글로벌 환경적 영향을 크게 줄일 수 있는 실용적인 대안을 제공하기 위해.

제안 방법

• HEB는 계산 작업을 전기료나 기부금과 같은 외부적으로 검증 가능한 지출로 대체한다.
• 채굴자는 실세계 비용을 약속해야 하며, 이는 블록 검증 이전에 암호학적으로 검증된다.
• 채굴 보상은 계산 능력이 아닌 외부 지출 증명의 성공적 제출에 연동된다.
• 공격자가 모든 정상 채굴자들의 총 비용보다 낮은 비용으로 지출해도 이득을 볼 수 없도록 시스템이 보장된다.
• 필수 지출 기준을 조정함으로써 조정 가능성이 확보되며, 설계자가 채굴 비용을 동적으로 제어할 수 있다.
• 게임 이론적 분석을 통해 합리적 채굴자가 공격 비용이 보상보다 높을 경우 공격을 하지 않을 것임을 입증함으로써 보안이 유지된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 계산 능력이 아닌 실세계 지출을 통해 채굴 비용을 조정할 수 있는 PoW 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템이 합리적 공격자에 대해 기존 PoW와 동일한 보안 보장을 유지하는가?
• RQ3 HEB는 보안을 훼손하지 않으면서 PoW 블록체인의 환경적 영향을 크게 줄일 수 있는가?
• RQ4 외부 지출을 암호학적으로 검증하여 채굴 과정에서의 부정행위를 방지할 수 있는가?

주요 결과

• HEB는 계산 작업에만 의존하지 않고 전기료나 기부금과 같은 외부 지출을 통해 채굴 비용을 조정할 수 있도록 프로토콜 설계자가 제어할 수 있다.
• 공격 비용이 예상 보상보다 높을 경우 합리적 채굴자가 공격을 하지 않을 것임을 보장함으로써, HEB는 합리적 공격에 대한 보안을 유지한다.
• 계산 낭비를 실세계 지출로 대체함으로써, HEB는 PoW 블록체인의 환경적 영향을 극적으로 줄인다.
• HEB는 순수 PoW의 보안 특성을 유지하면서도 채굴 비용을 조정 가능한 것으로 알려진 첫 번째 PoW 프로토콜이다.