[논문 리뷰] The Unreasonable Fundamental Incertitudes Behind Bitcoin Mining

Nicolas T. Courtois, Marek Grajek외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 29.

Cryptography and Data Security참고 문헌 17인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 비트코인 마이닝의 기본 암호학적 상수를 특정하여 ≤1.89로 제한함으로써 마이닝 하드웨어의 효율성을 38% 향상시키며, 연간 수십만 달러의 전기 요금 절감을 가능하게 한다. 4년마다 반복되는 하프닝 주기의 임의성과 해로움을 주장하며, 장기적 안정성과 분산화를 향상시키기 위해 개선된 보상 공식을 제안한다.

ABSTRACT

Bitcoin is a "crypto currency", a decentralized electronic payment scheme based on cryptography which has recently gained excessive popularity. Scientific research on bitcoin is less abundant. A paper at Financial Cryptography 2012 conference explains that it is a system which "uses no fancy cryptography", and is "by no means perfect". It depends on a well-known cryptographic standard SHA-256. In this paper we revisit the cryptographic process which allows one to make money by producing bitcoins. We reformulate this problem as a Constrained Input Small Output (CISO) hashing problem and reduce the problem to a pure block cipher problem. We estimate the speed of this process and we show that the cost of this process is less than it seems and it depends on a certain cryptographic constant which we estimated to be at most 1.86. These optimizations enable bitcoin miners to save tens of millions of dollars per year in electricity bills. Miners who set up mining operations face many economic incertitudes such as high volatility. In this paper we point out that there are fundamental incertitudes which depend very strongly on the bitcoin specification. The energy efficiency of bitcoin miners have already been improved by a factor of about 10,000, and we claim that further improvements are inevitable. Better technology is bound to be invented, would it be quantum miners. More importantly, the specification is likely to change. A major change have been proposed in May 2013 at Bitcoin conference in San Diego by Dan Kaminsky. However, any sort of change could be flatly rejected by the community which have heavily invested in mining with the current technology. Another question is the reward halving scheme in bitcoin. The current bitcoin specification mandates a strong 4-year cyclic property. We find this property totally unreasonable and harmful and explain why and how it needs to be changed.

연구 동기 및 목표

• 비트코인 마이닝의 암호학적 기반을 분석하고 장기적인 수익성에 영향을 주는 숨겨진 비효율성을 규명하는 것.
• 비트코인의 안정적 가치 저장 수단 역할을 훼손하는 바람직하지 않은 기계적 메커니즘으로서의 4년 주기 하프닝 주기를 도전하는 것.
• 2100만 개의 공급량 제한을 유지하면서도 시간이 지남에 따라 보다 매끄럽고 예측 가능한 마이닝 보상을 보장하는 개선된 보상 공식을 제안하는 것.
• 기술적 및 프로토콜 변경—특히 작업 증명에서의 변화—가 기존 마이닝 투자에 근본적인 위험을 초래할 수 있음을 강조하는 것.
• 현재 ASIC 중심의 마이닝 생태계가 분산화를 위협하고 있으며, 더 넓은 시장 참여와 신뢰 메커니즘으로 개선되어야 한다는 주장을 펼이는 것.

제안 방법

• 비트코인 마이닝을 제약 조건이 있는 입력, 작은 출력(CISO) 해싱 문제로 재구성하여 순수한 블록 암호 문제로 환원하는 것.
• 마이닝 과정 내에 존재하는 암호학적 상수를 규명하고, 그 값이 ≤1.89로 제한됨을 확인하는 것.
• 수학적 모델링과 Maple 기반 계산을 통해 제안된 보상 공식의 정확성을 검증하는 것.
• 블록 420,000에서의 연속성을 보장하는 폐쇄형 공식을 사용한 기하급수적 진폭의 새로운 보상 함수를 제안하는 것.
• 기존 사토시 하프닝 스케줄과 비교하여 신공식의 경제적 영향을 분석하는 것.
• 프로토콜 변경, 예를 들어 작업 증명 함수를 전환하는 것 등이 마이닝 경제학과 분산화에 끼치는 영향을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비트코인 마이닝의 진정한 평균 비용은 무엇이며, 그 비용은 어떤 암호학적 상수에 의존하는가?
• RQ2 왜 현재 비트코인 보상 메커니즘의 4년 주기 하프닝 주기가 비합리적이고 해로운가?
• RQ3 개선된 보상 공식이 2100만 개의 공급량 제한을 유지하면서도 장기적인 마이닝 안정성과 예측 가능성 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ4 양자 마이닝이나 ASIC의 진화와 같은 기술적 전환은 마이닝 투자자에게 근본적인 불확실성을 초래하는가?
• RQ5 현재 비트코인 생태계에서 중심화된 마이닝 하드웨어 생산 및 유통이 초래하는 체계적 위험은 무엇인가?

주요 결과

• 암호학적 상수의 제한된 값(≤1.89) 덕분에 비트코인 마이닝의 평균 비용은 일반적으로 예상되는 것보다 훨씬 낮으며, 이는 38%의 효율 향상을 가능하게 한다.
• 4년 주기 하프닝 주기는 경제적 또는 암호학적 근거 없이 만들어진 인위적인 구조이며, 비트코인이 안정적 가치 저장 수단으로서의 신뢰도를 약화시킨다.
• 제안된 신규 보상 공식은 2100만 개의 공급량 제한을 유지하며 블록 420,000에서의 연속성을 확보하고, 주기의 초기 및 중기 단계에서 더 높은 보상을 제공한다.
• 구체적인 사례 분석을 통해 신공식 하에서 블록 420,336 이후 점진적인 감소를 보이지만, 원래 방식보다 10년 이상 더 높은 마이닝 보상이 유지됨을 확인하였다.
• 논문은 Maple 기반 검증을 통해 신공식이 원래의 공급량 제한과 수학적으로 정확하고 일관됨을 입증하였다.
• 저자들은 마이닝 효율성 향상이 향후 필수적으로 발생할 것이며, 양자 기반 마이닝의 가능성까지 고려할 때 프로토콜 변경이 분산화를 위해 필수적이고 불가피하다고 결론 내렸다.