분산 합의 프로토콜을 위한 협력형 작업 증명 방식

1. 서론

본 논문은 일반적으로 선행 제로(leading zero)가 특정 개수만큼 있는 암호화 해시 출력을 생성하는 논스(nonce)를 찾는 과정을 포함하는 기존 작업 증명 방식을 개선하는 방안을 제안합니다. 핵심 혁신은 협력형 작업 증명 방식으로, 다수의 자율적 사용자가 자신들의 거래에 대한 증명을 생성하는 데 협력할 수 있도록 설계되었습니다. 이 협력은 중앙화된 마이닝 풀에 의존하지 않고 분산 원장 내에서 거래 순서에 대한 합의를 수립하는 것을 목표로 합니다.

제안된 방식은 마이닝 풀의 인센티브 불일치, 채굴자 간의 경쟁적이고 에너지 집약적인 경쟁과 같은 표준 작업 증명의 고유한 문제를 해결하고자 합니다. 직접적인 협력을 가능하게 함으로써, 거래 수수료(채굴자에게 지급)를 거래 세금(거래 사용자 자신이 지불)으로 대체하는 것을 구상합니다. 이러한 전환은 경쟁적 채굴과 관련된 "전력 사용에 대한 인플레이션 효과"를 완화하고 더 절약적이고 협력적인 전략을 조성할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

제시된 잠재적 이점은 다음과 같습니다:

거래 채굴자에 의한 사용자 차별에 대한 방어력 강화.
채굴자 간 경쟁 감소로 인한 시스템 처리량 증가.
서비스 거부 공격에 대한 더 큰 억제력, 공격 시 거래 세금 비용이 발생하기 때문.

2. 합의

본 논문은 분산 원장이 필요한 피어 투 피어 네트워크의 맥락에서 문제를 설정합니다. 모든 피어는 중앙 기관이나 사전 리더 선출 없이 원장의 상태에 동의해야 합니다.

근본적인 과제는 메시지 전파 지연입니다. 이상적인 저빈도 거래 환경에서는 네트워크 트래픽의 일시 중지—"완전 정지"—를 관찰함으로써 합의를 달성할 수 있으며, 이는 모든 피어가 동일한 메시지 집합을 확인했을 가능성이 높다는 것을 나타냅니다. 그런 다음 이러한 메시지는 표준적인 방식으로 정렬되고 원장에 추가될 수 있습니다.

그러나 실제 세계의 거래 빈도는 이 간단한 방식에 비해 너무 높습니다. 여기서 작업 증명이 중요해집니다. 계산 노력(암호 퍼즐 해결)을 요구함으로써, 작업 증명은 단일 피어가 새로운 원장 항목을 제안할 수 있는 유효 속도를 인위적으로 낮춥니다. 퍼즐의 난이도를 조정하여 거래 빈도의 상한을 설정하고, 사실상의 합의가 나타나기 위한 필요한 "정적 기간"을 만들 수 있습니다.

3. 협력형 작업 증명

본 논문은 협력형 방식을 형식화하지만, 제공된 발췌문은 중단되었습니다. 서론에 기반하여, 형식화는 다음과 같은 메커니즘을 포함할 가능성이 있습니다:

거래에 기여하는 사용자는 관련 작업 증명 퍼즐을 해결하는 데 계산 능력을 기여할 수도 있습니다.
집단적 노력이 단일 채굴자의 작업을 대체합니다.
거래 순서에 대한 합의는 이 협력적 노력에서 도출되며, 협력하는 사용자 집합과 연결될 수 있습니다.
"세금"은 거래 당사자가 지불하는 필수 기여(계산 노력 또는 파생 비용)로, 합의 비용을 내부화합니다.

이는 외부 채굴자들이 수수료를 위해 작업 증명을 해결하기 위해 경쟁하여 풀과 잠재적 중앙화를 초래하는 전통적 모델과 대조됩니다.

4. 핵심 통찰 및 분석가 관점

핵심 통찰: Kuijper의 논문은 단순히 해싱 알고리즘을 조정하는 것이 아닙니다. 이는 블록체인 설계에 대한 근본적인 경제적 및 게임 이론적 개입입니다. 진정한 혁신은 합의 노력을 이익 추구적 채굴에서 분리하고 거래 효용에 직접 연결하는 것입니다. 채굴자에게 지불하는 수수료에서 사용자가 부담하는 세금으로의 전환은 인센티브 구조를 뒤집어 네트워크 건강을 채굴자 경쟁이 아닌 사용자 협력과 일치시키는 것을 목표로 합니다. 이는 원하는 시스템 결과를 달성하기 위해 인센티브를 구조화하는 방법을 탐구하는 스탠포드 암호경제학 연구소와 같은 기관의 메커니즘 디자인 연구에서 볼 수 있는 원칙을 반영합니다.

논리적 흐름: 논증은 논리적으로 타당하지만, 중요한 증명되지 않은 가정에 의존합니다: 사용자들이 새로운 조정 오버헤드나 공격 벡터를 도입하지 않고 효율적이고 정직하게 협력할 것이라는 가정입니다. 논문은 케임브리지 비트코인 전력 소비 지수와 같은 수많은 연구에서 문서화된 바와 같이 비트코인 작업 증명의 에너지 낭비와 중앙화 압력(풀을 통한)을 올바르게 지적합니다. 그런 다음 협력을 해결책으로 제시합니다. 그러나 논리적 도약은 협력이 신뢰가 없는 환경에서 경쟁보다 조율하기 더 간단하다고 가정하는 것입니다. 피어 투 피어 시스템의 역사는 협력이 자유 라이딩을 방지하기 위해 복잡한 프로토콜(예: BitTorrent의 티포탯)을 종종 필요로 한다는 것을 보여주며, 이는 본 방식이 해결해야 할 문제입니다.

강점과 결점: 강점: 비전은 매력적입니다. 에너지 인플레이션과 채굴자 주도의 차별을 줄이는 것은 고귀한 목표입니다. 외부 효과를 내부화하는 "거래 세금" 개념은 계산 낭비에 적용된 탄소세 개념과 유사하게 경제적으로 우아합니다. 결점: 논문은 "방법"에 대해 눈에 띄게 부족합니다. 형식화는 중단되었지만, 전제조차도 사용자가 공정한 작업 분담을 피하기 위해 많은 가짜 신원을 생성하는 시빌 공격을 방지할 구체적인 메커니즘이 부족합니다. "협력 작업"은 어떻게 검증되고 귀속됩니까? 이것 없이는 시스템이 더 취약해질 수 있습니다. 더욱이, 검증된 경쟁적 모델을 새로운 협력적 모델로 대체하는 것은 상당한 위험과 채택 장벽을 초래하며, 이는 지분 증명과 같은 다른 합의 혁신이 초기 비판 기간 동안 직면했던 도전과 유사합니다.

실행 가능한 통찰: 연구자들에게 이 논문은 후속 작업을 위한 금광입니다. 즉각적인 다음 단계는 특정 협력형 작업 증명 게임을 설계하고 시뮬레이션하여 내쉬 균형을 분석하는 것입니다. 이것이 필연적으로 협력으로 이어지나요, 아니면 악용될 수 있나요? 실무자들에게 핵심 요점은 원칙이며 즉각적인 구현이 아닙니다. 시스템 설계에 "협력적 비용 내부화"를 어떻게 적용할지 고려하십시오. 하이브리드 모델이 작동할 수 있을까요? 기본 거래 세금이 분산화된 검증자 집단을 자금 지원하고, 이 논문의 아이디어와 위임 지분 증명을 혼합하는 방식? 거래 발행인이 합의 비용을 책임지도록 하는 핵심 아이디어는 위협 모델이 비트코인의 완전 무허가 설정과 다른 레이어-2 솔루션이나 새로운 원장 설계에서 탐구되어야 합니다.

5. 기술적 세부사항 및 수학적 형식화

전체 형식화는 생략되었지만, 제안된 방식은 표준 암호화 해시 기반 작업 증명을 기반으로 구축됩니다. 전통적인 작업 증명은 블록 데이터 $B$, 해시 함수 $H$, 난이도 목표 $T$에 대해 다음과 같은 논스 $n$을 찾는 것을 요구합니다:

$H(B, n) < T$

협력적 환경에서는 이것이 변형될 가능성이 높습니다. 사용자 그룹 $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$가 제안한 거래 집합 $\tau$가 있다고 가정합니다. 각 사용자 $u_i$는 부분 작업 솔루션 $w_i$를 기여합니다. 협력형 작업 증명은 다음을 요구할 수 있습니다:

$H(\tau, \text{Aggregate}(w_1, w_2, ..., w_k)) < T$

여기서 $\text{Aggregate}$는 개별 기여를 결합하는 함수입니다. 세금 메커니즘은 각 $u_i$가 $\tau$에서의 지분이나 역할에 비례하여 자원을 소비해야 함을 의미하며, 집단 작업이 난이도 $T$를 충족하도록 보장합니다. 검증은 각 $w_i$가 유효하고 고유하게 기여되었는지 확인해야 하며, 재전송 또는 위조 공격을 방지해야 합니다.

6. 분석 프레임워크 및 개념적 예시

시나리오: Alice, Bob, Charlie는 자신들의 거래($tx_a$, $tx_b$, $tx_c$)가 다음 블록에 포함되기를 원합니다.

전통적 작업 증명 (경쟁적): 채굴자 M1, M2, M3는 이러한 거래와 수수료를 포함하는 블록에 대해 $H(block, n) < T$를 해결하기 위해 경쟁합니다. 승자(예: M2)가 수수료를 얻습니다. Alice, Bob, Charlie는 수동적입니다.

협력형 작업 증명 (제안된 방식):

Alice, Bob, Charlie는 자신들의 거래를 위한 임시 그룹을 형성합니다.
프로토콜은 그들에게 공동 퍼즐을 할당합니다: $H(tx_a, tx_b, tx_c, w_a, w_b, w_c) < T$를 만족하는 입력 $(w_a, w_b, w_c)$를 찾으세요.
그들은 각각 로컬에서 부분 솔루션을 계산합니다. Alice는 $w_a$를, Bob은 $w_b$를, Charlie는 $w_c$를 찾습니다.
그들은 결과를 결합합니다. 결합된 작업이 난이도를 충족합니다.
그들은 거래와 함께 공동 증명 $(w_a, w_b, w_c)$를 브로드캐스트합니다.
네트워크는 해시를 검증하고 각 $w_i$가 해당 거래 소유자와 연결되어 있는지 확인합니다.
수수료를 지불하는 대신, 그들은 각각 자신의 계산 노력 $w_i$ 형태로 "세금"을 "지불"했습니다. 그들의 거래가 추가됩니다.

이 프레임워크의 주요 과제: Charlie가 게으름을 피워 이전 시기의 솔루션(재전송 공격)을 사용하거나 Bob의 작업을 복사하는 것을 방지하는 것입니다. 프로토콜은 $w_i$를 $u_i$의 신원과 특정 거래 배치에 연결하는 방법이 필요하며, 디지털 서명을 사용할 수 있습니다: $w_i = \text{Sign}_{u_i}(H(tx_i) \, || \, \text{epoch})$. 이는 복잡성을 추가합니다.

7. 적용 전망 및 미래 방향

즉각적 적용: 이 방식은 참여자들이 사전에 존재하는 반신뢰 관계를 가진 컨소시엄 블록체인이나 특수 분산 애플리케이션에서 가장 실행 가능성이 높습니다. 예를 들어, 모든 구성원이 알려져 있고 상호 거래를 위한 원장 유지 부담을 공유하기로 동의하는 공급망 컨소시엄이 있습니다.

미래 연구 방향:

형식적 게임 이론적 분석: 이 방식을 게임으로 모델링하여 안정적이고 협력적인 균형과 잠재적 파괴 전략을 식별합니다.
하이브리드 모델: 협력형 작업 증명을 다른 합의 메커니즘(예: 최종성을 위한 지분 증명, 순서 결정을 위한 협력형 작업 증명)과 결합합니다.
레이어-2 통합: 레이어-2 롤업에서 협력적 세금 모델을 구현합니다. 여기서 거래 배치는 메인 체인에서 최종 확정됩니다. 롤업 사용자는 자신들의 배치 유효성을 협력적으로 증명할 수 있습니다.
검증 가능 지연 함수 통합: 해시 퍼즐을 VDF 기반 작업으로 대체하거나 보강합니다. 이는 "작업"이 시간 기반이고 병렬화 불가능하도록 보장하여 공정한 기여 측정을 단순화할 수 있습니다.
기여 증명의 표준화: 공동 증명에 대한 개별 기여를 증명하기 위한 경량 암호화 프로토콜 개발로, 영지식 증명 연구와 인접한 문제입니다.

장기적 비전은 합의의 환경적, 경제적 비용이 거래로부터 이익을 얻는 당사자들이 직접 부담하는 블록체인 생태계로, 지속 가능성과 공정성을 촉진하는 것입니다. 이는 1세대 "승자 독식" 채굴 패러다임을 넘어서는 중요한 단계입니다.

8. 참고문헌

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