[논문 리뷰] Just Enough Security: Reducing Proof-of-Work Ecological Footprint.

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

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 지출 블록체인(Hybrid Expenditure Blockchain, HEB)을 소개한다. HEB는 설계자가 외부적으로 자원 지출을 조정할 수 있도록 설정된 조정 가능한 Proof-of-Work(POW) 프로토콜로, 전력 소비나 하드웨어 비용과 같은 실제 세계의 지출을 통합함으로써 암호화폐 블록체인의 생태학적 영향을 줄인다. 기존의 PoW와 달리 HEB는 합리적 공격에 대해 강력한 보안을 유지하면서도 전력 소비와 계산 비용을 크게 낮춘다. 이는 전통적인 PoW 시스템에 비해 지속 가능한 대안을 제공한다.

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

• Proof-of-Work(PoW) 블록체인의 증가하는 생태학적 비용, 즉 중소국 수준의 에너지 소비를 해결하기 위해.
• 순수한 계산 능력 외의 자원 지출을 조정할 수 있는 PoW 프로토콜을 설계하여 환경 영향을 줄이기 위해.
• 계산 요구량이 감소함에도 불구하고 기존 PoW와 동일한 보안 보장을 유지하기 위해.
• 에너지 소비와 자원 소비가 측정 가능한 수준으로 감소한 실용적이고 확장 가능한 기존 PoW 시스템의 대안을 제공하기 위해.

제안 방법

• HEB는 채굴자가 계산 능력 외에도 외부 실세계 자원(예: 전기 요금 또는 하드웨어 비용)을 지출해야 하는 하이브리드 모델을 도입한다.
• 프로토콜은 설계자가 외부 지출의 상대적 가중치를 조정할 수 있도록 하여 채굴의 총 자원 비용을 제어할 수 있도록 한다.
• 공격자가 공격에 성공할 수 있는 경제적 유인을 차단하기 위해 외부 지출과 계산 비용의 총합이 경제적으로 비합리적이 되도록 보장함으로써 보안을 유지한다.
• 블록 생성 속도가 일정하게 유지되도록 계산 비용과 외부 비용을 모두 고려한 수정된 블록 난이도 조정 메커니즘을 사용한다.
• 채굴자 행동이 프로토콜의 원하는 자원 지출 수준과 일치하도록 경제적 인centive를 활용한다.
• 채굴자가 수익을 극대화하기 위해 행동한다고 가정할 때, 합리적 공격 모델 하에서 프로토콜가 공식적으로 보안이 입증되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보안 보장을 유지하면서도 외부 자원 지출을 조정할 수 있는 PoW 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 합리적 공격에 대한 저항력을 훼손하지 않으면서 PoW 블록체인의 생태학적 영향을 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ3 전기 요금과 같은 실세계 지출을 채굴 과정에 안전하고 조정 가능한 방식으로 통합할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 HEB는 기존의 비트코인과 같은 전통적인 PoW 시스템에 비해 에너지 소비를 얼마나 줄일 수 있는가?

주요 결과

• HEB는 채굴의 총 자원 비용을 설계자가 외부적으로 조정할 수 있도록 하여 보안을 순수한 계산 능력과 분리시킨다.
• 계산 비용이 크게 감소함에도 불구하고 HEB는 순수 PoW와 동일한 보안 수준을 합리적 공격에 대해 유지한다.
• 전기 요금이나 하드웨어 비용과 같은 외부 지출을 통합함으로써 HEB는 PoW 블록체인의 전 세계 에너지 소비를 중소국 수준으로 줄인다.
• 블록 생성 안정성이나 채굴자 인cent라이브 조정의 일관성을 희생시키지 않고 이 감소를 달성한다.
• 합리적 공격 가정 하에서 모델이 공식적으로 보안이 입증되어 공격자가 시스템을 유리하게 악용할 수 없음을 보장한다.