[논문 리뷰] StrongChain: Transparent and Collaborative Proof-of-Work Consensus

Paweł Szałachowski, Daniël Reijsbergen외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 23.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 34인용 수 25

한 줄 요약

StrongChain는 비트코인 유사 블록체인에서 보다 높은 보안성, 효율성, 탈중앙화를 달성하기 위해 약한 해결책—유효하지만 블록을 최종화하지는 못하는 작업 증명(PoW) 퍼즐—을 활용하는 투명하고 협업 기반의 작업 증명 합의 기반을 제안한다. 채굴자가 약한 해결책을 공유하고 첨부하도록 유도함으로써 프로토콜은 보상 변동성을 줄이고 채굴 풀의 형성을 저지하며 블록체인의 최신성과 효율성을 향상시킨다. 실제 구현을 통해 그 효율성과 구현 가능성 또한 확인되었다.

ABSTRACT

Bitcoin is the most successful cryptocurrency so far. This is mainly due to its novel consensus algorithm, which is based on proof-of-work combined with a cryptographically-protected data structure and a rewarding scheme that incentivizes nodes to participate. However, despite its unprecedented success Bitcoin suffers from many inefficiencies. For instance, Bitcoin's consensus mechanism has been proved to be incentive-incompatible, its high reward variance causes centralization, and its hardcoded deflation raises questions about its long-term sustainability. In this work, we revise the Bitcoin consensus mechanism by proposing StrongChain, a scheme that introduces transparency and incentivizes participants to collaborate rather than to compete. The core design of our protocol is to reflect and utilize the computing power aggregated on the blockchain which is invisible and "wasted" in Bitcoin today. Introducing relatively easy, although important changes to Bitcoin's design enables us to improve many crucial aspects of Bitcoin-like cryptocurrencies making it more secure, efficient, and profitable for participants. We thoroughly analyze our approach and we present an implementation of StrongChain. The obtained results confirm its efficiency, security, and deployability.

연구 동기 및 목표

• 채굴 풀을 통해 중앙집중화를 유도하는 비트코인의 인cent라이즈 불일치성과 높은 보상 변동성을 해결한다.
• 채굴자 간의 투명성과 협업을 증가시켜 시빌 공격 및 51% 공격의 위험을 줄인다.
• 수정된 보상 메커니즘을 통해 탈중앙화를 촉진하고 통화의 deflationary 압력을 완화함으로써 장기적 지속 가능성을 확보한다.
• 합의 과정에 약한 해결책을 활용하여 블록체인의 최신성과 수렴 속도를 향상시킨다.
• 기존의 PoW 블록체인에 최소한의 변경으로 점진적으로 도입 가능한 프로토콜을 설계한다.

제안 방법

• 블록체인 프로토콜에 강한(최종화하는) 해결책이 아닌, 블록을 최종화하지는 않지만 합의에 기여하는 유효한 PoW 퍼즐인 약한 해결책을 도입한다.
• 강한 해결책 외에도 약한 해결책을 발견하고 공유한 채굴자에게도 보상을 지급한다.
• 약한 해결책과 강한 해결책을 모두 즉시 공개하도록 유도하는 보상 메커니즘을 설계하여 시스템의 투명성을 향상시킨다.
• 약한 해결책을 수락하고 확산시키는 방식으로 블록체인 검증 프로세스를 수정하여, 이를 보안 및 진전 모델에 통합한다.
• 암호 해시와 타겟 임계값을 사용해 약한 해결책과 강한 해결책을 정의함으로써 기존 비트코인 PoW 아키텍처와의 호환성을 유지한다.
• 누적된 약한 해결책의 총량이 높은 체인을 우선시하는 합의 규칙을 도입하여 보안성과 공정성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채굴자 간의 경쟁이 아닌 협업을 장려하는 방식으로 PoW 합의 기반을 재설계할 수 있는가?
• RQ2 약한 해결책을 어떻게 의미 있게 블록체인 합의에 통합하여 보안성과 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 협업 기반의 채굴 유인으로 비트코인 유사 시스템의 보상 변동성을 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ4 기존 나카모토 합의와 비교해 약한 해결책을 포함함으로써 블록체인의 최신성과 수렴 속도가 향상되는가?
• RQ5 제안된 기법은 기존의 PoW 블록체인에 후행 호환성을 해치지 않고 점진적으로 도입 가능한가?

주요 결과

• StrongChain는 약한 해결책과 강한 해결책에 걸쳐 보상을 분산함으로써 보상 변동성을 줄여 채굴 풀의 필요성을 감소시키고 중앙집중화 위험을 완화한다.
• 약한 해결책의 빠른 전파 및 검증을 통해 블록체인의 최신성을 향상시켜 더 빠른 합의 수렴을 이룬다.
• 실제 구현 결과를 통해 StrongChain가 효율적이고 구현 가능하며, 기존 비트코인 유사 프로토콜에 최소한의 변경만 필요로 함을 확인했다.
• 협업 기반의 인cent라이즈 구조 덕분에 일부 공격, 예를 들어 자기 이익을 위한 채굴(자기 채굴) 및 풀 기반의 공모 등에 대해 증명 가능하게 더 안전하다.
• 기존 채굴 풀과 달리 StrongChain는 0-합계 동적 구조를 만들지 않으며, 오히려 협업을 통해 전체 시스템과 채굴자의 수익성을 증가시킨다.
• 비트코인의 PoW 아키텍처와의 후행 호환성을 유지하면서도 투명성과 탈중앙화를 크게 향상시킨다.