[논문 리뷰] Social Choice Around the Block: On the Computational Social Choice of Blockchain

Davide Grossi|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 15.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 계산 사회선택(Co)가 공정하고 견고하며 인센티브 호환성 있는 블록체인 합의 메커니즘 설계를 위한 필수 이론적 기초를 제공한다고 주장한다. 랜덤 블록 선택에서의 공정성, 투표 기반 합의에서의 조작 가능성, 신뢰 기반 시스템에서의 시비르 공격에 대한 저항성과 같은 핵심 과제들을 규명하며, 원칙에 기반한 계산 가능한 해결책을 통해 블록체인 설계의 核심 문제를 해결할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

One of the most innovative aspects of blockchain technology consists in the introduction of an incentive layer to regulate the behavior of distributed protocols. The designer of a blockchain system faces therefore issues that are akin to those relevant for the design of economic mechanisms, and faces them in a computational setting. From this perspective the present paper argues for the importance of computational social choice in blockchain research. It identifies a few challenges at the interface of the two fields that illustrate the strong potential for cross-fertilization between them.

연구 동기 및 목표

• 블록체인 시스템의 기본 설계 과제를 해결하는 데 있어 계산 사회선택(Co)의 관련성을 확립하기 위해.
• 랜덤성, 투표, 신뢰를 포함한 합의 메커니즘에서 특히 중요한 Co와 블록체인 간의 핵심 접점들을 규명하기 위해.
• 블록 선택의 공정성과 시비르 공격 저항성과 같은 블록체인의 열린 문제들을 사회선택 이론의 표준 문제로 프레임하기 위해.
• Co가 인센티브 호환성 있고 탈중앙화된 프로토콜을 분석하고 설계하는 데 있어 공식적인 도구를 제공하므로, Co와 블록체인 연구 간의 상호 육성 필요성을 주장하기 위해.
• 신뢰 메커니즘, 복권의 공정성, 조작 저항성과 같은 아직 탐색되지 않은 연구 기회를 Co 원칙에 기반해 강조하기 위해.

제안 방법

• 사회선택 메커니즘의 관점에서 기존의 블록체인 합의 프로토콜(예: PoW, PoS, Ripple/Stellar 방식의 신뢰 네트워크)을 분석한다.
• 블록체인 메커니즘을 고전적 Co 개념에 대응시킨다: 복권(랜덤 선택), 투표(노드 간 합의), 신뢰 시스템(영향력 전파).
• 사회선택에서의 공정성 기준(예: 선택 확률의 동일성)을 적용해 PoW 및 PoS에서의 랜덤 블록 선택의 공정성을 평가한다.
• 투표 기반 합의에서의 조작 위험을 분석하며, 전략적 투표와 사회선택 이론에서의 통제 문제와 유사성을 고려한다.
• 가짜 이름 공격에 대한 저항성과 권력 지수 이론을 사용해 신뢰 메커니즘을 평가하여 노드의 영향력을 정량화하고 시비르 공격에 대한 저항성을 분석한다.
• 형식 수학을 피하고도 이론적 엄밀성을 유지하면서, 비형식적이고 개념적인 모델링을 통해 블록체인 과제를 Co 문제로 프레임한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PoW나 PoS에서의 랜덤 블록 선택의 공정성은 계산 사회선택 원칙을 통해 어떻게 형식적으로 정의되고 보장될 수 있는가?
• RQ2 블록체인의 투표 기반 합의는 어느 정도 조작 가능하며, 기존의 Co에서의 전략적 비호환성 결과는 이를 어떻게 적용할 수 있는가?
• RQ3 신뢰 기반 합의 프로토콜은 시비르 공격에 저항하도록 설계될 수 있는가? 유료 신원 또는 권력 지수를 통해 가짜 이름 공격에 대한 저항성을 확보할 수 있는가?
• RQ4 합의 안정성과 분열 방지를 위해 신뢰 네트워크가 만족해야 할 구조적 성질은 무엇이며, 이를 Co 도구를 통해 어떻게 형식화할 수 있는가?
• RQ5 특정 노드가 지나치게 많은 투표력을 확보할 경우, 탈중앙화된 합의에서의 영향력을 어떻게 정량화하고 분산시킬 수 있는가?

주요 결과

• PoW 및 PoS에서의 랜덤 블록 선택은 사회선택 기준(예: 선택 확률의 동일성)을 적용해 공정성 여부를 평가할 수 있으며, 이로 인해 영향력의 잠재적 불균형이 드러난다.
• 블록체인의 투표 기반 합의 메커니즘은 고전적 투표 시스템과 유사하게 조작 가능성이 있으며, Co는 이러한 전략적 행동을 분석하고 완화하는 데 도구를 제공한다.
• Ripple 및 Stellar 방식의 신뢰 기반 합의 메커니즘은 가짜 이름 공격에 저항하는 개념을 활용해 시비르 공격 저항성을 분석할 수 있으며, 유료 신원이 강건성을 확보하는 길을 제시한다.
• 합의 안정성을 유지하기 위해 신뢰 네트워크에 대한 구조적 제약(예: 중첩된 신뢰 집합 요구)이 필요하며, 이러한 제약은 그래프 이론 및 권력 지수 기반 모델을 통해 형식화할 수 있다.
• 사회선택 이론의 권력 지수를 사용해 신뢰 기반 시스템에서의 노드 영향력을 정량화할 수 있으며, 이는 탈중앙화 수준 평가 및 사실상의 중심화 탐지에 도움이 된다.
• Co 원칙을 블록체인 설계에 통합함으로써, 합의 프로토콜에서 공정성, 안정성, 인센티브 호환성 간의 균형을 이끌어내는 원칙적인 접근이 가능해진다.