KR20230153779A - 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법 - Google Patents

블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법 Download PDF

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Abstract

블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법은 네트워크 내의 모든 노드가 채굴을 진행할 수 있도록 구성됨에 있어서, 각 노드는 네트워크에 하나 이상의 보류(pending) 중인 트랜잭션이 있을 때만 채굴 프로세스를 시작하고 보류 중인 트랜잭션이 채굴되는 즉시 채굴을 중지하는 것을 특징으로 한다.

Description

블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법{Auto Integrated Mining Method for Private Wireless Blockchain Network}
본 발명은 블록체인 마이닝(채굴) 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 블록체인 트랜잭션 프로세스를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 종래의 블록체인은 트랜잭션을 보내고, 채굴되기 전에 네트워크로 브로드캐스팅 한다.
지연시간의 크기는, 하나의 채굴자에 의한 전송/브로드캐스팅 시간과 채굴시간이다. 현 블록체인의 다른 제약은, 멈춰 있는 트랙잭션이 있는지 없는지 상관없이 계속해서 채굴자들은 채굴을 계속해야 한다. 이것은 채굴과정 동안 불필요한 에너지 소비와 계산 오버헤드를 발생시킨다.
네트워크 대역폭은 네트워크의 모든 노드에게 채굴 블록 정보를 전송하는데 사용된다. 채굴블록이 비어 있어도 저장 공간을 차지하게 된다.
KR 10-2022-0031252 A
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 트랜잭션 전송과 마이닝(채굴) 프로세스를 통합하여 트랜잭션 시간을 감소시킬 수 있는 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법을 제공한다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 네트워크 내의 모든 노드가 채굴을 진행할 수 있도록 구성됨에 있어서, 각 노드는 네트워크에 하나 이상의 보류(pending) 중인 트랜잭션이 있을 때만 채굴 프로세스를 시작하고 보류 중인 트랜잭션이 채굴되는 즉시 채굴을 중지하는 것을 특징으로 하는 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 네트워크 내의 모든 노드가 채굴을 진행할 수 있도록 구성됨에 있어서, 송신 노드가 특정정보를 수신 노드에 전송하기 위해 트랜잭션 요청을 시작하는 트랜잭션 전송 단계와, 각 노드는 보류 중인 트랜잭션이 존재할 경우, 채굴 프로세스를 시작하고 보류 중인 트랜잭션이 채굴되는 즉시 채굴을 중지하는 단계와, 채굴된 트랜잭션은 블록체인 네트워크의 마지막 블록에 있는 블록체인 원장에 포함되고 트랜잭션이 종료되는 단계를 포함하는 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에서 트랜잭션 전송 명령 직후 채굴을 시작하라는 명령이 코드에 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법은, 트랜잭션의 전송과 채굴 과정을 통합하여 전체적인 트랜잭션 시간을 감소시킨다. 네트워크에 하나 이상의 보류(pending) 중인 트랜잭션이 있을 때만 채굴 프로세스를 시작하고 보류 중인 트랜잭션이 채굴되는 즉시 채굴을 중지하는 자동 통합 마이닝(AIM) 알고리즘을 제안한다.
즉, 네트워크 내 빈 블록의 생성을 줄여 에너지, 스토리지 공간, 네트워크 대역폭 및 계산 복잡성을 줄임으로써 사설 네트워크에서의 채굴(마이닝) 오버헤드를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM) 알고리즘은 네트워크에서 적어도 하나의 멈춰있는 트랜잭션이 채굴되면 작동을 멈춘다.
실험결과에 따르면, 기존 방식의 블록 숫자대비 24%까지 채굴블록의 숫자를 줄여준다. 체인데이터를 16%까지 줄여서, 데이터 저장 공간을 아낄 수 있다. 멈춰 있는 트랜잭션이 1 ~ 1000 사이일 때 채굴 지연시간을 200 ~ 650ms이고, 멈춰있는 트랜잭션이 1000 ~ 10000 사이일 때는 350 ~ 1350ms의 지연시간을 가짐을 보여준다.
도 1은 일반적인 블록체인 트랜잭션 프로세스를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM)이 적용된 트랜잭션 프로세스를 나타낸 도면
도 3은 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM)이 적용된 블록체인 트랜잭션의 시간 속성을 나타낸 도면
도 4는 트랜잭션 수(N)에 대한 전송 시간(St) 및 마이닝 시간(Mt) 비교에 대한 도면
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM)이 적용된 트랜잭션 프로세스를 나타낸 도면이고, 도 3은 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM)이 적용된 블록체인 트랜잭션의 시간 속성을 나타낸 도면이고, 도 4는 트랜잭션 수(N)에 대한 전송 시간(St) 및 마이닝 시간(Mt) 비교에 대한 도면이다.
본 실시예에 따른 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법은 제안하고자 하는 기술적인 사상을 명확하게 설명하기 위한 간략한 구성만을 포함하고 있다.
도 2의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM)이 적용된 트랜잭션 프로세스를 참조하면, 브로드캐스팅과 관련된 지연시간을 제거한다는 것을 알 수 있다. 제안 방법은 트랜잭션이 초기화되었을 때 시작하고, 트랜잭션이 채굴되면 끝이 난다. 즉, 트랜잭션 채굴이 끝나면 채굴을 멈춤으로써 불필요한 대역폭과 저장공간 낭비를 예방한다.
일반적인 블록체인망은 적어도 하나의 채굴자가 모든 트랜잭션을 채굴하기 위해 특정시간에 채굴을 해야 한다. 그러나 본 발명의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM) 방법은, 채굴 시작에 관한 지침을 포함하여, 네트워크 내의 모든 노드가 채굴을 진행할 수 있도록 구성됨에 있어서, 각 노드는 네트워크에 하나 이상의 보류(pending) 중인 트랜잭션이 있을 때만 채굴 프로세스를 시작하고 보류 중인 트랜잭션이 채굴되는 즉시 채굴을 중지한다. 이때, 트랜잭션 전송 명령 직후 채굴을 시작하라는 명령이 코드에 포함된다.
일반적인 블록체인은 트랜잭션을 보내고 채굴되기 전에 네트워크로 브로드캐스트한다. 따라서 트랜잭션을 보내는 시간, 브로드캐스팅 및 채굴자 중 하나의 채굴 사이에 약간의 지연이 발생한다.
또한, 일반적인 블록체인 네트워크의 또 다른 한계는 사용 가능한 보류 중인 트랜잭션이 있는지 여부에 관계없이 채굴자가 네트워크에서 지속적으로 새로운 블록을 채굴한다는 것이다. 이는 이러한 채굴 중에 불필요한 계산 오버헤드와 에너지 소비를 생성한다.
또한, 네트워크의 대역폭은 채굴된 블록의 정보를 네트워크의 모든 노드에 전송하는 데 사용된다. 채굴된 블록이 비어 있고 최소한의 저장 공간을 사용하더라도 장기간에 걸쳐 상당한 저장 공간을 차지한다.
이와 달리, 도 3의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM)이 적용된 블록체인 트랜잭션의 시간 속성을 나타낸 도면을 참조하면,
트랜잭션이 시작되면 채굴을 시작하고 트랜잭션이 성공적으로 채굴되는 즉시 채굴을 중지한다. 따라서 불필요한 대역폭과 스토리지의 사용을 방지할 수 있다.
본 발명의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM) 시스템 모델의 특징을 수식적 표현과 함께 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 발명의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM) 시스템은 다음과 같은 조건에서 동작한다고 가정한다.
가정 1: 네트워크의 모든 노드가 채굴할 수 있다. 이때, Jetson Nano가 네트워크에서 마이닝(채굴) 작업을 처리할 수 있는 네트워크에 참여하는 최소 장치로 간주한다.
가정 2 : 네트워크가 지속적으로 마이닝할 트랜잭션을 갖고 있지 않다. 개인 네트워크에는 빈번한 트랜잭션 기간과 거의 또는 전혀 트랜잭션이 없는 기간이 있을 것으로 예상된다. 업무시간 등 네트워크의 활성 사용자가 많을 경우 트랜잭션이 자주 발생한다. 단, 야간에는 네트워크 내에서 트랜잭션 처리가 제한될 수 있다.
가정 3: 채굴 노드는 트랜잭션의 유일한 개시자이다. 스마트 계약과 같은 계정은 노드 중 하나에 의해 프롬프트가 표시되는 경우를 제외하고 자체적으로 트랜잭션을 수행하지 않으며 프롬프트로 생성된 모든 트랜잭션을 채굴한다고 가정한다.
가정 4: 트랜잭션을 채굴하려면 하나의 채굴자로 충분하다. 합의 알고리즘은 여러 채굴자가 있는 네트워크의 단일 채굴자가 트랜잭션을 성공적으로 채굴할 수 있는지 여부를 결정(판별)할 수 있다.
또한, 본 발명의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM) 시스템 모델에서, 3개의 엔티티(송신자<발신자>, 노드 및 채굴자)를 하나의 엔티티(entity)로 압축하여 노드라고 정의한다.
다시 도 3의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM)이 적용된 블록체인 트랜잭션의 시간 속성 및 수식 (1) 내지 (6)을 참조하면,
Tt는 트랜잭션을 보내고 채굴하는 데 소요된 총 시간이고,
Bt는 트랜잭션을 블록체인 네트워크로 브로드캐스트 하는 시간이고,
Mt는 보류 중인 모든 트랜잭션을 채굴한 총 시간이고,
Mi는 개별 트랜잭션을 채굴하는 시간이고,
Si는 단일 트랜잭션을 보내는 시간이고,
St는 여러 트랜잭션을 보내는 데 소요된 시간이고,
Ds는 시스템 지연이고 DN1과 DN2는 각각 채굴 전후의 네트워크 지연시간이다.
본 발명에서 전송 및 마이닝(채굴) 트랜잭션 프로세스를 통합하는 동기(목적)는 트랜잭션이 블록체인에 포함되기까지 소요되는 시간을 최소화하는 것이다.
본 발명에서 단순화를 위해 DN1과 DN2를 동일하게 둔다.(DN1과 DN2는 채굴 전후의 네트워크 지연시간)
수식 (5), (6), (1)을 (4)에 대입하면 수식 (2)와 같다.
전송 및 채굴 프로세스 요청을 단일 코드로 통합함으로써 Bt(트랜잭션을 블록체인 네트워크로 브로드캐스트하는 시간)및 네트워크 지연이 제거(해소)된다. 따라서 수식(2)는 수식(3)과 같이 표현된다.
St는 전송된 트랜잭션 수와 사용된 장치의 용량에 따라 다르다. 따라서 이로 인해 발생하는 지연은 블록체인 네트워크 외부에 있다. 제안된 모델에서 트랜잭션이 블록체인 네트워크에서 소비하는 실제 시간은 Ds와 Mt이다.(Ds는 시스템 지연이고, Mt는 보류 중인 모든 트랜잭션을 채굴한 총 시간)
<알고리즘 1>
알고리즘 1은 채굴 프로세스의 의사 코드를 나타낸다.
일반적인 블록체인 네트워크에는 네트워크로 브로드캐스트되는 모든 트랜잭션을 채굴하기 위해 각 시점에 작업하는 최소 한 명의 채굴자가 있다. 그러나 본 발명에서는 트랜잭션 전송 명령 직후 채굴을 시작하라는 명령을 코드에 포함하는 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM) 모델을 제안하였다. 마지막 보류 트랜잭션이 채굴되면 코드는 채굴 중지 명령으로 종료된다.
즉, 본 발명의 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법은, 네트워크 내의 모든 노드가 채굴을 진행할 수 있도록 구성됨에 있어서, 송신 노드가 특정정보를 수신 노드에 전송하기 위해 트랜잭션 요청을 시작하는 트랜잭션 전송 단계와, 각 노드는 보류 중인 트랜잭션이 존재할 경우, 채굴 프로세스를 시작하고 보류 중인 트랜잭션이 채굴되는 즉시 채굴을 중지하는 단계와, 채굴된 트랜잭션은 블록체인 네트워크의 마지막 블록에 있는 블록체인 원장에 포함되고 트랜잭션이 종료되는 단계를 포함한다.
PoW 합의 알고리즘에서 실행되는 이더리움 사설 네트워크에서 본원발명의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM) 모델을 구현하고 실험한 결과는 다음과 같다.
실제 테스트에서 실제 구현 결과가 생성되었다. 데이터 수집에서 각 매개변수 설정은 10회 반복되며 평균을 계산한다.
<표 1>
표 1는 각 트랜잭션의 시간을 보여주는 표이다.
수행할 트랜잭션 수를 설정한 후 트랜잭션 동안 채굴된 블록 수, 트랜잭션 전송 시간(St), 채굴 시간(Mt), 총 트랜잭션 시간(Tt) 및 시스템 지연(Ds)을 기록했다. Ds는 Ds = Tt-(Mt+St)가 되도록 수식(3)을 재배열하여 계산된다.
사용된 모든 반복에 대해 단일 트랜잭션에 대한 시간을 계산했다. 반복은 전송된 트랜잭션의 한 자리 숫자, 수십, 수백 및 수천의 4단계로 수행되었다.
- 시스템 지연(Ds)
시스템 지연(Ds)는 브로드캐스트 단계를 제거함으로써 St와 Mt 프로세서 사이의 시간 지연을 최소화할 수 있다. 1000 미만의 모든 트랜잭션에 대한 Ds는 5.4ms에서 15.4ms 사이이다. 1,000 ~ 10,000에서 트랜잭션 지연은 13.8 ~ 105.2ms로 점차 증가했다.
- 전송 시간(St)
도 4는 트랜잭션 수(N)에 대한 전송 시간(St) 및 마이닝 시간(Mt) 비교에 대한 도면이다.
도 4(a-d)의 그래프는 St(송신<전송> 시간)가 트랜잭션 수(N)의 증가에 따라 어떻게 증가하는지를 보여준다. 도 4의 (a)는 트랜잭션 수(N)가 1에서 10 사이, 도 4의 (b)는 트랜잭션 수(N)가 10에서 100 사이, 도 4의 (c)는 트랜잭션 수(N)가 100에서 1000 사이, 도 4의 (d)는 트랜잭션 수(N)가 1000에서 10000 사이의 전송 시간(St) 및 마이닝 시간(Mt)을 각각 나타낸다.
표 1에서는 단일 송신 Sr의 평균 시간 비용이 계산된다.
N이 1에서 200 트랜잭션으로 증가함에 따라 St는 200 트랜잭션에서 1.5ms의 최소 St로 감소함을 알 수 있다. N = 200 이후 트랜잭션 건수가 증가함에 따라 St는 증가하였다.
- 채굴시간(MT)
채굴 작업은 네트워크에서 보류 중인 모든 트랜잭션을 채굴한다.
전송된 모든 트랜잭션이 채굴되었으며 각 트랜잭션의 10회 시도 평균 채굴 시간은 도 4(a-d)와 같다.
1,000 트랜잭션 미만의 채굴 트랜잭션은 250ms에서 660ms 사이의 변동 값을 갖는다. 그러나 Mt는 1,000에서 10,000 사이의 N에 대해 400ms와 1,250ms 사이에서 지그재그 방식으로 점진적으로 증가했다. 단일 트랜잭션 Mt의 채굴 시간은 N이 증가함에 따라 지속적으로 감소했다.
- 트랜잭션 시간(Tt)
트랜잭션 시간 Tt는 전송 시작부터 채굴 작업이 끝날 때까지 소요된 총 시간이다.
표 1은 전송 시간이 더 적은 수의 N으로 Tt에 어떻게 영향을 미치는지 보여주고, Mt는 평형점이 약 250N에 도달할 때까지 Tt에 크게 영향을 미치며, 여기서 두 St Mt는 거의 동일한 영향을 미칩니다. N이 250개 이상의 트랜잭션이면 St는 Tt에 대한 영향력을 점차 증가시킨다. Tt의 값은 N이 약 500이 될 때까지 하락 추세를 보이며 상승 추세를 시작한다.
- 에너지 및 계산 복잡성
에너지 소비 및 계산 복잡성은 생성된 블록의 수를 측정하여 확인할 수 있는 마이닝(채굴) 프로세스에 정비례한다. 단일 작업에는 1에서 10,000개 사이의 트랜잭션이 있다(1 < N < 10,000). 작업으로 513개의 블록이 생성되었다.
그러나 본 발명의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM) 모델을 사용하지 않으면 네트워크는 마이닝 작업 후 12시간 이내에 2,420개의 블록을 추가로 생성했으며, 마이닝을 위해 트랜잭션이 전송되지 않았다. 추가 보류 중인 트랜잭션(N = 0) 없이 300% 이상의 블록 생성을 수행했다. 제네시스 블록은 빠른 채굴 작업을 위해 낮은 난이도로 설정되어 있다.
- 저장 및 대역폭
본 발명의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM) 모델을 사용한 모든 트랜잭션은 총 80.1Mb의 스토리지를 점유했다.
자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM)이 없으면 12시간 동안 트랜잭션이 없는 빈 블록(N = 0)을 채굴하여 저장소가 추가로 12.8Mb를 차지했다.
네트워크 스토리지의 크기는 전체 노드를 다운로드하기 위한 대역폭 요구 사항에 정비례하기 때문에 제안된 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM) 은 스토리지를 줄이는 것과 동일한 속도로 대역폭 요구 사항을 줄였다.
- 합의 속도 및 확장성
각 트랜잭션이 채굴된 후 블록에 포함되며 블록체인 네트워크의 다른 노드에서 다운로드할 수 있다. 따라서 제안된 모델은 합의 속도에 영향을 미치지 않는다. 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM)은 합의에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 스토리지 및 대역폭 요구 사항을 줄였으므로 네트워크 크기의 증가에 따라 확장 가능한 것으로 추론할 수 있다.
본 발명의 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법은, 트랜잭션의 전송과 채굴 과정을 통합하여 전체적인 트랜잭션 시간을 감소시킨다. 네트워크에 하나 이상의 보류(pending) 중인 트랜잭션이 있을 때만 채굴 프로세스를 시작하고 보류 중인 트랜잭션이 채굴되는 즉시 채굴을 중지하는 자동 통합 마이닝(AIM) 알고리즘을 제안한다.
즉, 네트워크 내 빈 블록의 생성을 줄여 에너지, 스토리지 공간, 네트워크 대역폭 및 계산 복잡성을 줄임으로써 사설 네트워크에서의 채굴(마이닝) 오버헤드를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 자동 통합 마이닝(Auto Integrated Mining, AIM) 알고리즘은 네트워크에서 적어도 하나의 멈춰있는 트랜잭션이 채굴되면 작동을 멈춘다.
실험결과에 따르면, 기존 방식의 블록 숫자대비 24%까지 채굴블록의 숫자를 줄여준다. 체인데이터를 16%까지 줄여서, 데이터 저장 공간을 아낄 수 있다. 멈춰 있는 트랜잭션이 1 ~ 1000 사이일 때 채굴 지연시간을 200 ~ 650ms이고, 멈춰있는 트랜잭션이 1000 ~ 10000 사이일 때는 350 ~ 1350ms의 지연시간을 가짐을 보여준다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

  1. 네트워크 내의 모든 노드가 채굴을 진행할 수 있도록 구성됨에 있어서, 각 노드는 네트워크에 하나 이상의 보류(pending) 중인 트랜잭션이 있을 때만 채굴 프로세스를 시작하고 보류 중인 트랜잭션이 채굴되는 즉시 채굴을 중지하는 것을 특징으로 하는 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    트랜잭션 전송 명령 직후 채굴을 시작하라는 명령이 코드에 포함되는 것을 특징으로 하는 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법.
  3. 네트워크 내의 모든 노드가 채굴을 진행할 수 있도록 구성됨에 있어서, 송신 노드가 특정정보를 수신 노드에 전송하기 위해 트랜잭션 요청을 시작하는 트랜잭션 전송 단계;
    각 노드는 보류 중인 트랜잭션이 존재할 경우, 채굴 프로세스를 시작하고 보류 중인 트랜잭션이 채굴되는 즉시 채굴을 중지하는 단계; 및
    채굴된 트랜잭션은 블록체인 네트워크의 마지막 블록에 있는 블록체인 원장에 포함되고 트랜잭션이 종료되는 단계;
    를 포함하는 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    트랜잭션 전송 명령 직후 채굴을 시작하라는 명령이 코드에 포함되는 것을 특징으로 하는 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법.
KR1020220053627A 2022-04-29 2022-04-29 블록체인 무선 통신망을 위한 자동 통합 마이닝 방법 KR20230153779A (ko)

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