[논문 리뷰] Proposal for a fully decentralized blockchain and proof-of-work algorithm for solving NP-complete problems

Carlos Oliver, Alessandro Ricottone외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 30.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 NP-완전 문제(예: 그래프 색칠하기 또는 TSP)를 해결하는 것을 촉진하기 위해 채굴 난이도를 향상된 해결책을 포함한 블록에 대해 낮추는 완전히 탈중앙화된 블록체인을 제안한다. 이 시스템은 중앙 기관 없이도 안전하고 공개적인 원장 기록을 유지하면서도 실제 세계의 문제 해결책을 검증 가능하게 생성한다. 이는 실용적 계산을 블록체인의 작업 증명에 통합하는 데 있어 처음으로 완전히 탈중앙화된 접근법이다.

ABSTRACT

We propose a proof-of-work algorithm that rewards blockchain miners for using computational resources to solve NP-complete puzzles. The resulting blockchain will publicly store and improve solutions to problems with real world applications while maintaining a secure and fully functional transaction ledger.

연구 동기 및 목표

• 기존 작업 증명에서의 계산 자원을 실생활 응용이 가능한 NP-완전 문제 해결로 이동시키는 탈중앙화된 블록체인을 설계하는 것.
• 문제 위임이나 해결책 검증에 중앙 기관에 의존하지 않도록 하여 완전한 탈중앙화와 匿명성 보장하는 것.
• 향상된 해결책이 포함된 블록의 채굴 난이도를 낮추어 채굴자들이 문제 해결에 집중하도록 유도하는 채굴 인cent라이제이션 시스템을 만드는 것.
• 블록체인 보안을 유지하면서도 공개적이고 변경 불가능한 원장에 해결책을 저장하고 진화시킬 수 있도록 하는 것.
• 탈중앙화된 퍼즐 저장 및 동적 선택 메커니즘을 통해 다수의 NP-완전 문제 인스턴스를 지원하는 것.

제안 방법

• 채굴자는 특정한 NP-완전 문제 $P$의 해결책을 포함한 블록을 제출할 수 있으며, 이는 다항 시간 내에 검증된다.
• 현재 최고의 해결책보다 향상된 해결책을 포함한 블록의 경우 채굴 난이도가 낮아지며, 이는 채굴자들이 단순히 nonce를 찾는 것보다 해결책 향상에 집중하도록 유도한다.
• 블록에는 문제 인스턴스 $P$와 해결책의 압축 표현 방식이 새로운 필드에 저장되며, 표준 채굴의 경우 null 값도 허용된다.
• 기본 블록은 초깃값으로 문제 인스턴스를 저장하며, 후속 블록은 포인터를 통해 이를 참조하거나 크기가 허용된다면 문제 자체를 포함한다.
• 다수의 문제를 위해 시스템은 저장 노드가 문제 집합 $\Omega$를 보관하는 탈중앙화된 스토리지 모델을 사용하며, 채굴자는 포인터를 통해 퍼즐을 가져온다.
• 퍼즐 선택은 이전 블록의 해시 값에 의해 결정되며, 이는 동적이고 결정론적인 문제 할당을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중앙 기관의 조율 없이도 NP-완전 문제 해결을 작업 증명의 형태로 구현한 완전히 탈중앙화된 블록체인을 설계할 수 있는가?
• RQ2 네트워크 보안을 유지하면서도 기존 해싱 작업보다 문제 해결을 우선시할 수 있도록 채굴 인cent라이제이션을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 유효하고 중복되지 않으며 과학적으로 의미 있는 NP-완전 문제 인스턴스만이 블록체인에 포함되도록 보장하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 다수의 NP-완전 문제 인스턴스를 탈중앙화된 방식으로 효율적으로 저장하고 선택하며 업데이트하는 방법은 무엇인가?
• RQ5 이 시스템은 암호 보안과 실용적 문제 해결 기능을 동시에 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 향상된 해결책을 포함한 블록의 채굴 난이도를 낮춤으로써 채굴자가 NP-완전 문제 해결을 통해 보상을 얻을 수 있도록 하며, 이는 계산 자원을 의미 있는 문제 해결으로 이동시킨다.
• 블록체인은 NP-완전 문제의 해결책을 저장하고 공개적으로 업데이트함으로써 중앙 기관의 감시 없이도 검증 가능하고 변경 불가능한 상태를 유지한다.
• 이전 블록의 해시 값을 이용해 동적으로 문제를 선택하는 메커니즘이 제안되어, 채굴자 간에 분산되고 균형 잡힌 퍼즐 배포를 가능하게 한다.
• 시스템은 단일 문제와 다중 문제 인스턴스를 모두 지원하며, 큰 문제 집합의 경우 탈중앙화된 스토리지 노드를 통해 확장 가능한 스토리지 모델을 제공한다.
• 특수 거래를 통해 새로운 문제를 수수료와 함께 추가할 수 있으며, 이는 스팸을 방지하고 유효하며 비트리비얼한 문제만이 시스템에 진입하도록 보장한다.
• 이 접근법은 보안과 탈중앙화를 유지하면서도 실용적 문제 해결을 작업 증명에 통합하는 데 있어 처음으로 완전히 탈중앙화된 블록체인을 제공한다.