작업 증명 블록체인의 저장 오버헤드 분석

1. 서론

비트코인과 이더리움으로 대표되는 무허가형 블록체인은 탈중앙화 시스템에 혁명을 가져왔지만, 확장성에 대한 중대한 과제에 직면해 있습니다. 작업 증명 합의 메커니즘의 에너지 소비는 널리 논의되어 왔지만, 저장 오버헤드라는 동등하게 중요한 문제는 상대적으로 덜 주목받아 왔습니다. 본 논문은 전체 블록체인 노드가 검증을 위해 원장 데이터를 어떻게 활용하는지 분석하는 선구적인 실증 연구를 제시합니다. 핵심 발견은 지능적인 클라이언트 측 전략을 통해, 기본 블록체인 프로토콜을 변경할 필요 없이 저장 공간을 극적으로 줄일 수 있다는 것입니다—비트코인의 경우 약 15 GB까지 가능하여, 전체 노드를 운영하는 진입 장벽을 낮출 수 있습니다.

2. 문제 진술 및 배경

3. 방법론 및 실증 분석

4. 제안하는 클라이언트 측 저장 공간 절감

5. 결과 및 성능 평가

6. 기술적 세부사항 및 수학적 프레임워크

최적화의 핵심은 거래 의존성 그래프를 이해하는 데 있습니다. $G = (V, E)$를 방향성 비순환 그래프라고 하자. 여기서 정점 $V$는 거래를 나타내며, 거래 $v$가 거래 $u$에 의해 생성된 출력을 사용할 때 간선 $(u, v) \in E$가 존재합니다. 거래 $t_i$의 "연령"과 "연결성"을 모델링할 수 있습니다. 새로운 블록을 검증하는 데 $t_i$가 필요할 확률 $P_{access}(t_i)$는 시간이 지남에 따라 그리고 현재 UTXO 집합으로부터의 거리에 따라 감소합니다.

보존을 위한 간단한 휴리스틱은 다음과 같을 수 있습니다: $age(t_i) < T_{age}$이거나, $t_i$가 최근 $N$ 블록 내의 어떤 거래의 조상( $k$ 홉 이내)인 경우 거래 데이터를 보존한다. 여기서 $T_{age}$, $k$, $N$은 실증적 접근 패턴에서 도출된 매개변수입니다.

7. 분석 프레임워크: 사례 연구

시나리오: 새로운 스타트업이 감사 목적으로 비트코인 전체 노드를 운영하고 싶지만 클라우드 저장 예산이 제한적입니다.

프레임워크 적용:

1. 데이터 프로파일링: 노드 소프트웨어는 먼저 관찰 모드로 실행되어 한 달 동안 어떤 블록과 거래가 접근되는지 프로파일링합니다.
2. 모델 보정: 프로파일링된 데이터를 사용하여 보존 휴리스틱의 매개변수를 보정합니다(예: $T_{age}$를 3개월, $k=5$, $N=1000$으로 설정).
3. 정리 실행: 그런 다음 노드는 보존 기준을 충족하지 않는 모든 블록 데이터를 정리하고, 블록 헤더, UTXO 집합 및 기준에 부합하는 거래 데이터만 유지합니다.
4. 지속적 운영: 정상 작동 중에 정리된 거래가 요청되면, 노드는 이를 사용하기 전에 두 개의 무작위 피어로부터 가져와 저장된 머클 루트에 대해 검증합니다.

결과: 스타트업은 20 GB 미만의 저장 공간으로 완전 검증 노드를 유지하며, 비용의 일부로 보안 목표를 달성합니다.

8. 향후 적용 및 연구 방향

• 라이트 클라이언트 보안 강화: 본 연구의 기술은 단순화된 지불 검증(SPV) 클라이언트가 보다 관련성 높은 데이터 하위 집합을 캐시하고 검증할 수 있도록 하여 그 보안을 강화할 수 있습니다.
• 크로스 블록체인 아카이빙: 전문적인 "아카이브 노드"가 전체 기록을 저장하고 일반 노드는 최적화된 하위 집합을 저장하며, 암호학적 증명과 함께 주문형으로 데이터를 가져오는 표준화된 효율적인 아카이빙 프로토콜 개발.
• 레이어-2와의 통합: 특정 역사적 데이터가 더 자주 관련되는 레이어-2 네트워크(예: 라이트닝 네트워크)에 참여하는 노드의 저장 공간 최적화.
• 예측적 정리를 위한 머신 러닝: 어떤 역사적 데이터가 필요할지 더 잘 예측하기 위해 ML 모델을 사용하여 저장/성능 트레이드오프를 추가로 최적화.

9. 참고문헌

1. Sforzin, A., et al. "On the Storage Overhead of Proof-of-Work Blockchains." (Source PDF).
2. Nakamoto, S. "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System." 2008.
3. Bitcoin Core Documentation. "Pruning." https://bitcoin.org/en/bitcoin-core/features/pruning.
4. Buterin, V. "Ethereum Whitepaper." 2014.
5. Gervais, A., et al. "On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains." ACM CCS 2016.
6. International Energy Agency (IEA). "Data Centres and Data Transmission Networks." 2022. (계산 오버헤드 맥락용).