분산 합의 프로토콜을 위한 협력형 작업 증명(Proof of Work) 체계

1. 서론

본 논문은 표준 작업 증명(Proof-of-Work, PoW) 체계에 대한 개선안을 제안한다. 이 체계의 목표는 블록 헤더의 암호학적 해시가 특정 난이도 목표(예: 특정 개수의 0으로 시작)를 충족하도록 논스(nonce)를 찾는 것이다. 핵심 혁신은 PoW를 채굴자들 간의 경쟁적, 승자독식 경쟁에서, 사용자들이 자신의 거래를 검증하고 거래 순서에 대한 합의를 이루기 위해 계산 능력을 모을 수 있는 협력적 노력으로 전환하는 데 있다.

주요 동기는 경쟁적 해싱으로 인한 막대한 에너지 소비와 채굴 풀의 중앙화 압력과 같은 기존 PoW의 내재된 비효율성과 왜곡된 인센티브를 해결하는 것이다. 본질적 협력을 가능하게 함으로써, 이 체계는 거래 수수료(채굴자에게 지불)를 거래 세금(협력 작업에 대한 비용으로 거래 발신자가 지불)으로 대체하여, 절약과 집단적 검증을 향한 인센티브를 조정하는 것을 목표로 한다.

2. 합의

2.1. 분산 합의 문제

중앙 권한이 없는 피어-투-피어 네트워크에서 (거래 원장과 같은) 공유 상태에 대한 합의를 이루는 것은 어려운 과제이다. 근본적인 문제는 메시지 전파 지연이다. 만약 거래 간격이 통계적으로 네트워크의 소문 전파 시간보다 길다면, 피어들은 트래픽에서 공유되는 "정지"를 관찰함으로써 사실상의 합의를 달성할 수 있다. 그러나 고빈도 거래 환경에서는 이 간단한 방법이 실패한다.

2.2. 작업 증명의 역할

작업 증명은 속도 제한 메커니즘으로 작용한다. 계산 비용이 많이 드는 무차별 대입 퍼즐(예: $\text{Hash}(\text{data} || \text{nonce}) < \text{Target}$ 조건을 만족하는 해시 찾기)의 해결을 요구함으로써, 단일 피어가 새로운 블록을 제안할 수 있는 속도에 상한을 부과한다. 이는 비트코인의 나카모토 합의에서 처음 개념화된 바와 같이, 네트워크가 안정적으로 합의를 달성할 수 있는 수준으로 유효 거래 빈도를 인위적으로 낮춘다.

3. 협력형 작업 증명

3.1. 체계의 형식화

본 논문은 작업 증명 퍼즐이 단일 블록 제안자에 묶이지 않고, 일련의 거래에 관심이 있는 사용자 그룹이 협력적으로 해결할 수 있는 체계를 형식화한다. 이러한 거래들의 순서에 대한 합의는 해결책을 가장 먼저 찾은 채굴자가 결정하는 것이 아니라, 협력적 해결 과정 자체에서 발생한다.

3.2. 핵심 메커니즘: 수수료에서 세금으로

가장 중요한 경제적 변화는 수수료에서 세금으로의 전환이다. 기존 PoW에서는 사용자가 채굴자를 독려하기 위해 수수료를 지불한다. 협력 모델에서는 거래에 참여하는 사용자가 협력형 작업 증명에 필요한 계산 비용의 자신의 몫을 나타내는 "세금"을 지불한다. 이는 "서비스에 대한 대가 지불"에서 "검증 비용 공유"로의 역학을 변화시켜, 전반적인 자원 지출을 잠재적으로 줄일 수 있다.

4. 핵심 통찰 및 논리적 흐름

핵심 통찰: 본 논문의 천재성은 PoW의 합의에 대한 주요 가치가 경쟁적 추첨 측면이 아니라 그 속도 제한 속성에 있음을 인식한 데 있다. 저자들은 경쟁적 추첨을 막대한 낭비(에너지, 하드웨어 군비 경쟁)와 중앙화(채굴 풀)의 원천으로 정확히 지적한다. 그들의 논리적 도약은 다음과 같은 질문이다: "속도 제한은 유지하되 경쟁은 버릴 수 있을까?" 제안된 협력형 체계가 그 답이다—이는 PoW의 "좋은" 부분(분산화, 사빌 공격 저항성, 난이도 조정 가능)을 엔지니어링하면서 "나쁜" 부분(낭비적인 경쟁)을 정교하게 제거하려는 의도적인 시도이다.

논리적 흐름은 흠잡을 데 없다: 1) 합의 문제(메시지 지연) 식별. 2) 속도 제한 솔루션으로서의 PoW 인정. 3) PoW의 치명적 결함(인센티브화된 비협력) 진단. 4) 개인의 합리성을 네트워크 건강과 일치시키는 새로운 인센티브 구조(세금으로 지불되는 협력 작업) 제안. 이는 시스템 사고의 정수이다.

5. 강점과 결함

강점:

우아한 인센티브 재조정: 수수료에서 세금으로의 전환은 심오한 경제적 혁신이다. 이는 개별 채굴자들이 사회적으로 최적보다 더 많은 에너지를 소비하도록 인센티브를 받는 PoW 채굴의 "공유지의 비극"을 직접 공격한다.
중앙화 완화: 설계상, 이는 주로 경쟁적 추첨의 변동성을 완화하기 위해 존재하는 채굴 풀의 경제적 논리를 약화시킨다. 본질적 협력은 보다 평등하고 회복력 있는 네트워크 토폴로지로 이어질 수 있다.
높은 처리량 잠재력: 블록 보상에 대한 경쟁 감소는 보안에 필요한 난이도를 낮출 수 있어, 동일한 전체 해싱 파워 수준에서 단위 시간당 더 많은 거래를 허용할 수 있다.

결함 및 비판적 질문:

초기화/조정 문제: 사용자들은 어떻게 서로를 찾아 협력하는가? 논문은 이를 간략히 넘어간다. 실제로, 모든 거래 집합에 대해 효율적이고 신뢰할 필요 없는 연합을 형성하는 것은 엄청난 조정 과제이며, 잠재적으로 자체적인 복잡한 프로토콜 계층을 필요로 할 수 있다—복잡성과 오버헤드를 다시 도입하게 된다.
연합 공격 하의 보안: 이 모델은 협력 그룹이 선의적이라고 가정한다. 이중 지불이나 거래 검열을 위해 대규모 악성 연합이 형성되는 것을 무엇이 막는가? 비트코인 백본 프로토콜 분석과 같은 연구에서 발견되는 기존 PoW에 대한 엄격한 게임 이론적 처리에 비해 보안 분석은 피상적으로 느껴진다.
세금 징수 및 집행: 분산화되고 익명적인 환경에서 "세금"을 집행하는 것은 사소한 일이 아니다. 이는 납부하지 않는 자들이 다른 사람들의 협력 작업에 무임승차할 수 있는 시스템을 만들 위험이 있으며, 논문이 해결하려 하지만 의도치 않게 재창조할 수 있는 고전적인 인센티브 문제이다.

6. 실행 가능한 통찰 및 미래 방향

연구자들을 위해: 이를 완성된 프로토콜로 취급하지 말라. 디자인 패러다임으로 취급하라. 합의를 위한 협력적 비용 공유라는 핵심 아이디어는 해시 기반 PoW를 넘어 적용 가능하다. 지분 증명(Proof-of-Stake, PoS)이나 공간 증명(Proof-of-Space)과의 통합을 탐구하라. 핵심 연구 격차는 이 새로운 환경에서 연합 형성과 안정성에 대한 강건한 게임 이론적 모델이다. 시작점으로 "연합-증명 내쉬 균형"에 대한 연구를 참조하라.

개발자/기업들을 위해: 이는 메인넷에 적용할 준비가 되지 않았다. 그러나 참가자 신원이 알려져 있고 조정이 더 쉬운 사설 또는 컨소시엄 블록체인을 위해 고려하라. 에너지 절약 약속은 여기서 가장 실질적이다. 알려진 주체들(예: 공급망 파트너)이 공유 거래를 협력적으로 검증하는 시스템을 시범 운영하여, 기존 경쟁적 채굴 설정 대비 계산 오버헤드 감소를 측정하라.

산업을 위해: 본 논문은 포스트-머지(이더리움의 PoS 전환) 세계에서 중요한 대안적 서사이다. 이는 PoW의 에너지 문제가 작업 증명 개념 자체에 내재된 것이 아니라 그 구현에 있다고 주장한다. 암호화폐의 에너지 사용에 대한 규제 감시가 강화됨에 따라, 협력형 PoW와 같은 혁신은 특히 PoS의 물리적 신뢰 가정이 바람직하지 않은 네트워크를 위한 잠재적인 "그린 PoW" 대안으로서 새롭게 조명받을 가치가 있다.

7. 기술적 세부사항 및 수학적 형식화

본 논문은 협력형 PoW를 다자간 계산 문제로 형식화할 것을 제안한다. 완전히 상세히 설명되지는 않았지만, 핵심 퍼즐은 표준 해시 목표를 적응시킬 가능성이 높다. $\text{Hash}(\text{Block}_{\text{proposer}} || \text{nonce}) < T$ 대신, $n$명의 참가자들로부터의 결합된 입력을 포함할 수 있다: $\text{Hash}(\text{TxSet} || \text{nonce}_1 || ... || \text{nonce}_n || \text{ID}_{\text{coalition}}) < T$.

난이도 목표 $T$는 협력적 블록 형성의 원하는 속도를 기반으로 조정된다. "작업"은 각 참가자 $i$가 부분 논스 $\text{nonce}_i$를 탐색하고, 결합된 노력이 목표를 충족하도록 분배된다. 세금에 대한 간단한 모델은 다음과 같을 수 있다: $\text{Tax}_i = \frac{C \cdot w_i}{\sum_{j=1}^{n} w_j}$, 여기서 $C$는 해결된 퍼즐의 총 계산 비용이고, $w_i$는 참가자 $i$가 기여한 증명 가능한 작업이다. 이는 기여도에 비례하는 비용 공유를 보장한다.

8. 분석 프레임워크 및 개념적 예시

프레임워크: 협력적 합의 게임

플레이어: 대기 중인 거래를 가진 사용자 집합 $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$.
행동: 각 플레이어는 다음 중 선택할 수 있다: (a) 혼자 작업(표준 PoW), (b) 연합 $S \subseteq U$ 형성/가입, (c) 무임승차(가능한 경우).
보수: 자신들의 거래를 포함하는 블록을 성공적으로 생성한 연합 $S$에 대해:
- 이익: 거래가 확인됨(사용자 $i$에 대한 가치 $V_i$).
- 비용: 기여한 작업을 기반으로 지불한 세금 $\text{Tax}_i$.
- 순보수: $V_i - \text{Tax}_i$.
균형 개념: 시스템은 "대연합" $U$(모든 사용자가 협력)의 형성이 안정적이고 효율적인 내쉬 균형이면서 모든 거래를 확인하는 총 비용 $\sum \text{Tax}_i$를 최소화하는 상태를 목표로 한다.

개념적 예시: A부터 E까지 다섯 명의 사용자가 각각 거래를 보내고 싶어 한다고 상상해 보자. 비트코인에서는 그들은 브로드캐스트하고 채굴자가 포함하기를 바란다. 채굴자들은 경쟁하며 100단위의 에너지를 소비한다; 승자는 수수료를 얻는다. 총 에너지: 100단위. 협력형 PoW에서는 A-E가 그룹을 형성한다. 그들은 다섯 거래를 모두 포함하는 블록에 대한 퍼즐을 해결하기 위해 (경쟁이 없어서 더 적게) 집단적으로 20단위의 에너지를 소비한다. 그들은 각각 총 20단위의 세금을 지불한다(예: 각각 4단위). 절약된 에너지: 80단위. 확인은 그룹에 대해 확률적이 아닌 보장된다.

9. 적용 전망 및 향후 발전

단기(향후 2-3년): 가장 실행 가능한 적용 분야는 기업/컨소시엄 분산 원장 기술(DLT)이다. 예를 들어, 은행 간 결제를 정산하는 은행 그룹이 협력형 PoW 원장을 사용할 수 있다. 신원은 알려져 있고, 조정은 관리 가능하며, 목표는 효율성과 최종성이다—익명 참여가 아니다. 연구는 효율적인 연합 형성 알고리즘과 검증 가능한 기여도 측정에 초점을 맞출 것이다.

중기(3-5년): 폐쇄된 환경에서 성공한다면, 이 개념은 하이브리드 공공 블록체인 설계에 영감을 줄 수 있다. 공공 체인은 기존 PoW나 PoS를 사용하는 기본 계층을 가질 수 있으며, 특정 "협력 샤드"나 사이드체인은 고처리량, 저수수료의 애플리케이션 특화 거래(예: 소액 결제, IoT 데이터 로깅)를 위해 이 모델을 사용할 수 있다.

장기 및 기초 연구: 궁극적인 시험은 완전히 분산화되고 허가가 필요 없는 버전이 안전할 수 있는지 여부이다. 이는 (공정한 연합 할당을 위한) 분산화된 랜덤 비콘 생성과 프라이버시를 훼손하지 않고 무임승차자를 처벌할 암호경제 메커니즘의 돌파구를 필요로 한다. 이는 또한 새로운 분야인 합의 메커니즘 다양성을 열어준다. 여기서는 서로 다른 거래 유형이나 사용자 집단이 동일한 생태계 내에서 서로 다른 합의 모델(경쟁적, 협력적, 지분 기반)을 선택할 수 있으며, 이는 컴퓨터 네트워크가 서로 다른 필요에 따라 서로 다른 프로토콜(TCP, UDP)을 사용하는 방식과 유사하다.

10. 참고문헌

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