[논문 리뷰] Proofware: Proof of Useful Work Blockchain Consensus Protocol for Decentralized Applications

Zhongli Dong, Young Choon Lee외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 22.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 9인용 수 13

한 줄 요약

Proofware는 블록체인 기반의 합의 프로토콜인 유용한 작업 증명(Proof of Useful Work, PoUW)을 제안하여 탈중앙화된 애플리케이션(dApps)이 공공의 유휴 컴퓨팅 자원을 활용하면서도 사회에 유익한 작업을 수행할 수 있도록 한다. 탈중앙화된 자가 조절형 신용 시스템과 스마트 계약을 통합함으로써 Proofware는 AWS EC2 대비 94.6%의 비용 절감을 달성하였으며, 자율적 가격 발견을 통해 재정적 지속 가능성, 검열에 대한 저항성, 예측 가능한 거래 수수료를 확보한다.

ABSTRACT

In a blockchain system, consensus protocol as an incentive and security mechanism, is to ensure the participants to build the block honestly and effectively. There are different consensus protocols for blockchain, like Proof of work (PoW), Proof of Stake (PoS), Proof of Space (PoSpace), Proof of Activities etc. But most of these consensus protocols are not designed for doing some useful jobs for society because of too much competition and scalability limitation. Massive electric power and computing resources, including CPU, RAM, storage and sensors have been wasted to run blockchain network based on these consensus protocols. Current frameworks and middleware for building decentralised applications (dApps) are largely limited to simple and less useful jobs. In this paper, we present Proofware which is designed for developers to build their dApps easily with existing public/crowd-based computing resources. Under Proofware, developers can develop and test their own Proof of Useful Work (PoUW) consensus protocols. Also, rather than depending on a centralised accounting system, each dApp has an embedded currency system to keep the whole incentive system decentralised, fair, transparent, stable and sustainable. Based on Proofware, we have built a crowd based video sharing application, called OurTube, as a case study. By the OurTube example, it has shown Proofware significantly improves the productivity to build crowd-based computing system with the features of cost-effectiveness, anti-censorship, elasticity and financial sustainability.

연구 동기 및 목표

• 기존 블록체인 합의 프로토콜인 PoW와 PoS가 비용이 많이 들고 비효율적이며, 유용하지 않은 계산 작업을 위해 에너지를 낭비하는 문제를 해결하기 위해.
• 탈중앙화된 애플리케이션(dApps)이 CPU, 스토리지, 센서 등 활용도가 낮은 공공 컴퓨팅 자원을 활용하여 사회적으로 유용한 작업을 수행할 수 있도록 하기 위해.
• 중앙집중식 회계를 대체할 수 있는 탈중앙화되고 투명하며 안정적인 인centive 시스템을 설계하여 다중 애플리케이션 간 상호운용성을 지원하기 위해.
• 커뮤니티 기반 컴퓨팅 시스템에서 재정적 지속 가능성, 확장성, 시장 조작에 대한 저항성을 확보하기 위해.
• 실제 사례를 통해 프레임워크의 타당성과 효율성을 입증하기 위해, 탈중앙화된 동영상 공유 플랫폼인 OurTube을 기반으로 한 실제 dApp을 개발함.

제안 방법

• 암호학적 퍼즐이 아닌 유용한 계산 작업을 기반으로 블록을 검증하는 새로운 합의 메커니즘인 유용한 작업 증명(PoUW)을 도입한다.
• 각 dApp 내부에 탈중앙화된 애플리케이션 전용 신용 시스템을 통합하여 자율적이고 블록체인 기반의 인centive를 제공한다.
• 수요와 공급에 기반한 신용 가치의 안정성과 예측 가능성을 확보하기 위해 신용 어댑터 가중치 모델을 활용한 동적이고 탈중앙화된 신용 가격 발견 메커니즘을 적용한다.
• 스마트 계약을 활용해 서비스 품질(QoS)을 정의하고, 자원 제공자와 dApp 사용자 간의 약정을 신뢰할 수 없더라도 검증 가능한 방식으로 이행한다.
• 모듈러한 거래 구조와 가스 제한을 적용하여 탈중앙화된 신용 거래소에서 거래 수수료가 예측 가능하고 낮게 유지되도록 한다.
• 500개의 거래 봇을 활용한 다단계 시뮬레이션을 통해 다양한 시장 조건 하에서의 신용 가격 발견 알고리즘의 유효성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비효율적인 해싱 작업을 수행하는 대신 사회적으로 유용한 계산을 수행하는 블록체인 합의 프로토콜을 설계할 수 있는가? 이를 통해 에너지 및 자원 효율성이 향상될 수 있는가?
• RQ2 다양한 dApps 간의 공정성, 투명성, 지속 가능성 보장을 위해 탈중앙화되고 자가 조절 가능한 신용 시스템을 어떻게 구현할 수 있는가?
• RQ3 자율적 신용 가격 발견이 커뮤니티 기반 컴퓨팅 시스템에서 시장 조작을 방지하고 가격 안정성을 확보하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 Proofware 기반으로 구축된 dApp의 비용과 성능은 기존 클라우드 기반 배포 방식과 비교해 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ5 탈중앙화된 신용 거래소 모델이 대규모에서 예측 가능하고 낮은 거래 수수료를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• Proofware 기반으로 개발된 탈중앙화된 동영상 공유 dApp인 OurTube는 Amazon EC2에서 유사 애플리케이션을 운영할 경우 대비 비용의 5.4%만을 차지하여 높은 비용 효율성을 입증하였다.
• 탈중앙화된 신용 거래소 시스템은 예측 가능한 거래 수수료를 확보하였으며, 실제 가스 사용량이 항상 제한된 수준 이하로 유지되어 재정적 예측 가능성이 확보되었다.
• 신용 가격 발견 알고리즘이 다양한 수요 공급 조건 하에서도 안정적이고 예측 가능한 신용 가격을 유지하였으며, 가격 유연도는 경제학 이론과도 일치하였다.
• 시뮬레이션 결과, 신용 어댑터 가중치가 0.5로 설정된 경우, OurTube 신용 가격이 공급과 수요에 따라 선형적으로 변화함을 확인하여 모델이 시장 요인에 민감하게 반응함을 입증하였다.
• 신용 어댑터 가중치를 0.8로 상향 조정한 경우, 공급 변화에 대한 민감도가 감소하는 경향을 보였으며, 이는 기대한 대로 안정적인 가격 조절이 가능함을 시사하였다.
• 거래 모듈성 분석을 통해 dApp 신용 유형에 따라 명확한 커뮤니티가 형성되었으며, 이는 다중 애플리케이션 기반의 탈중앙화된 신용 생태계를 지원할 수 있음을 확인하였다.