바빌론: 지분증명 보안 강화를 위한 비트코인 채굴 재활용

1.1. 작업증명에서 지분증명으로

비트코인의 보안은 막대한 컴퓨팅 해시파워(약 $1.4 \times 10^{21}$ 해시/초)에 기반하여 공격을 극도로 비싸게 만들지만, 엄청난 에너지 비용이 듭니다. 반면, 이더리움 2.0, 카르다노, 코스모스와 같은 지분증명(PoS) 블록체인은 에너지 효율적이며, 빠른 최종성 및 스테이크 슬래싱을 통한 책임성과 같은 기능을 제공합니다. 그러나 이러한 전환은 새로운 보안 문제를 야기합니다.

1.2. 지분증명의 보안 문제

본 논문은 순수 PoS 시스템에서 신뢰 최소화 암호경제학적 보안을 달성하는 데 있어 근본적인 한계를 지적합니다:

• 처벌 불가능한 장거리 공격: 공격자는 스테이크가 인출된 후, 과거에 저렴하게 획득한 코인을 사용하여 역사를 다시 쓸 수 있습니다. 이는 누적 난이도 때문에 PoW에서는 불가능한 일입니다.
• 처벌 불가능한 검열 및 지연: 활성에 대한 특정 공격은 경제적으로 처벌할 수 없습니다.
• 부트스트래핑 문제: 낮은 토큰 가치를 가진 새로운 PoS 체인은 고유한 보안이 부족합니다.

저자들은 외부 신뢰 가정 없이는 어떤 PoS 프로토콜도 처벌 가능한 안전성을 제공할 수 없다고 주장합니다.

2.1. 핵심 아키텍처 및 병합 채굴

바빌론 채굴자는 비트코인과 병합 채굴을 수행합니다. 그들은 바빌론 관련 데이터(예: PoS 체인 체크포인트)를 이미 채굴 중인 비트코인 블록에 포함시킵니다. 이는 바빌론에 한계 에너지 비용 제로로 비트코인과 동일한 보안 수준을 제공합니다.

2.2. 데이터 가용 타임스탬핑 서비스

바빌론이 PoS 체인에 제공하는 핵심 서비스는 데이터 가용 타임스탬핑 서비스입니다. PoS 체인은 다음을 타임스탬프할 수 있습니다:

• 블록 체크포인트(최종성용)
• 사기 증명
• 검열된 트랜잭션

데이터가 바빌론을 통해 비트코인에 타임스탬프되면, 비트코인의 불변성과 검열 저항성을 상속받아, 효과적으로 비트코인을 강력한 앵커로 사용합니다.

3.1. 암호경제학적 보안 정리

바빌론이 강화된 PoS 프로토콜의 보안은 암호경제학적 보안 정리에 의해 형식적으로 포착됩니다. 이 정리는 합리적이고 경제적으로 동기 부여된 검증자를 모델링하며, 슬래싱 처벌을 고려하여 안전성이나 활성을 위반하는 데 필요한 비용 측면에서 보안을 정의합니다.

3.2. 처벌 가능한 안전성 및 활성

형식적 분석은 바빌론이 다음을 가능하게 함을 보여줍니다:

• 처벌 가능한 안전성: 안전성 위반(예: 충돌하는 체크포인트를 생성하는 장거리 공격)은 암호학적으로 증명될 수 있으며, 위반한 검증자의 스테이크를 슬래시할 수 있습니다. 안전성을 공격하는 비용은 슬래싱 처벌을 초과합니다.
• 처벌 가능한 활성: 활성 공격의 특정 유형(예: 타임스탬핑 요청의 지속적 검열)도 식별 가능하고 처벌 가능해집니다.

이는 PoS 보안을 "정직한 다수" 가정에서 검증 가능한 경제적 가정으로 이동시킵니다.

4.1. 원본 분석: 핵심 통찰 및 논리 흐름

핵심 통찰: 바빌론의 천재성은 단순히 하이브리드 합의에 있는 것이 아닙니다. 그것은 비트코인의 해시파워를 매몰 비용이면서 활용도가 낮은 자산으로 인식하는 데 있습니다. 바빌론은 비트코인과 경쟁하거나 대체하는 대신, 기생적으로 200억 달러 이상의 보안 예산을 활용하여 PoS의 가장 난해한 문제를 해결합니다. 이는 라이트닝 네트워크와 같은 레이어 2 솔루션이 비트코인 베이스 레이어를 재발명하지 않고 활용하는 방식을 연상시키는, 고전적인 "대체보다 공생" 전략입니다.

논리 흐름: 논증은 날카롭습니다: 1) 순수 PoS는 단독으로 처벌 가능한 안전성을 달성할 수 없습니다(저자들이 주장하는 부정적 결과). 2) 외부 신뢰(예: 사회적 합의)는 투박하고 느립니다. 3) 비트코인은 현존하는 가장 비싸고, 분산화되었으며, 강력한 외부 신뢰원을 제공합니다. 4) 따라서 PoS 상태를 비트코인에 타임스탬프하여 그 보안 속성을 상속받습니다. 3단계에서 4단계로의 논리적 도약이 혁신이 있는 곳입니다—병합 채굴을 통해 이 타임스탬핑을 효율적이고 암호경제학적으로 건전하게 만드는 것입니다.

강점과 결점: 주요 강점은 우아한 자원 재활용입니다. 이는 PoS 보안의 힘 증배기입니다. 형식적 보안 모델 또한 중요한 기여로서, 텐더민트 코어나 알고랜드 합의를 분석하는 데 사용되는 것과 유사한 엄격한 프레임워크를 제공합니다. 그러나 모델의 강점은 "합리적 검증자" 가정과 공격 비용 대 슬래싱 처벌의 정확한 가격 책정—복잡한 게임 이론 문제—에 크게 의존합니다. 중요한 결점은 비트코인에 대한 활성 의존성 도입입니다. 비트코인이 장기간 혼잡이나 치명적인 버그를 경험하면, 연결된 모든 PoS 체인의 보안이 저하됩니다. 이는 비트코인의 성능을 중심으로 활성을 집중화하는 새로운 시스템적 위험 벡터를 생성합니다.

실행 가능한 통찰: 투자자와 구축자에게 바빌론은 새로운 가치 평가 논리를 생성합니다: 보안-서비스-플랫폼으로서의 비트코인. PoS 체인은 더 이상 자체 시가총액만으로 보안을 부트스트랩할 필요가 없습니다. 이는 새로운 체인의 진입 장벽을 극적으로 낮출 수 있습니다. 실용적으로, 팀들은 처벌 가능한 안전성을 얻는 것과 최종성에 대한 대기 시간 하한으로 비트코인의 약 10분 블록 타임을 수용하는 것 사이의 트레이드오프를 평가해야 합니다. 향후 로드맵은 대체 메커니즘을 통하거나 비트코인뿐만 아니라 여러 PoW 체인을 활용하여 활성 의존성을 해결해야 합니다.

4.2. 기술적 세부사항 및 수학적 공식화

보안은 공격자에 대한 비용-편익 분석을 통해 개념화될 수 있습니다. 다음과 같이 정의합니다:

• $C_{attack}$: 안전성 공격(예: 장거리 수정)을 실행하는 총 비용.
• $P_{slash}$: 그 결과로 증명 가능하게 슬래시될 수 있는 스테이크의 가치.
• $R$: 공격으로부터의 잠재적 보상.

프로토콜은 실행 가능한 모든 공격에 대해 다음이 성립할 때 암호경제학적 보안을 제공합니다:

$C_{attack} + P_{slash} > R$

순수 PoS 장거리 공격에서는 오래된 스테이크가 인출되기 때문에 $P_{slash} \approx 0$입니다. 바빌론은 PoS 체인이 비트코인에 사기 증명을 타임스탬프할 수 있게 함으로써 $P_{slash}$를 증가시킵니다. 이로 인해 위반이 부인할 수 없게 되고, 스테이크(최근 인출되었더라도)는 불변 기록에 기반하여 슬래시 가능해집니다. 이제 비용 $C_{attack}$에는 PoS 체인의 역사 그리고 유죄를 입증하는 타임스탬프가 포함된 비트코인 블록을 모두 다시 쓰는 비용이 포함되며, 이는 컴퓨팅적으로 불가능합니다.

타임스탬핑 프로세스는 PoS 체인의 체크포인트에 대한 암호학적 커밋먼트(예: 머클 루트)를 생성하고, 병합 채굴 중에 OP_RETURN 출력 또는 유사한 방법을 통해 비트코인 블록체인에 포함시키는 것을 포함합니다.

4.3. 분석 프레임워크 및 예시 사례

시나리오: 새로운 코스모스 기반 애플리케이션 특화 블록체인("존")이 출시를 원하지만 초기 토큰 시가총액($1천만)이 낮습니다. 이는 저렴한 장거리 공격에 취약합니다.

바빌론-강화 프로토콜:

1. 존 검증자들은 주기적으로(예: 100블록마다) 체인 상태를 나타내는 서명된 블록 해시인 체크포인트를 생성합니다.
2. 그들은 이 체크포인트를 바빌론 네트워크에 제출합니다.
3. 바빌론 채굴자는 비트코인 블록을 채굴하는 동안, 코인베이스 트랜잭션에 체크포인트의 머클 루트를 포함시킵니다.
4. 비트코인 블록이 확인되면(예: 6컨펌), 체크포인트는 존에 의해 최종 확정된 것으로 간주됩니다. 이 최종성의 보안은 이제 비트코인의 해시파워에 의해 뒷받침됩니다.

공격 완화: 만약 공격자가 나중에 그 체크포인트 이전에서 분기하는 충돌 체인을 생성하려고 시도한다면, 타임스탬프가 포함된 블록부터 비트코인 체인도 다시 써야 합니다. 이 비용은 존 자체의 스테이킹 가치보다 수십 배 높아 공격을 경제적으로 비합리적으로 만듭니다. 더욱이, 체크포인트에 대한 원본 검증자들의 서명은 그들이 이후 본딩을 해제했더라도 그들의 본드를 슬래시하는 데 사용될 수 있는 사기 증명을 제공합니다.

이 프레임워크는 보안을 존 자체의 1천만 달러 스테이크의 함수에서 비트코인의 수십억 달러 보안의 함수로 변환하여, 효과적으로 비트코인의 보안을 "임대"합니다.