[Paper] Raspberry Pi에서 Proof-of-Work 합의 프로토콜의 인터랙티브 시각화

Source: arXiv - 2511.20391v1

개요

연구팀은 소수의 Raspberry Pi 장치만으로 구동되는 완전한 이더리움 작업증명(PoW) 네트워크를 구축했습니다. 이 프로토타입은 로컬 Wi‑Fi 라우터로 전원을 공급받는 자체 포함형 시스템이며, 각 Pi는 블록체인 상태를 실시간으로 시각화하는 LCD 화면을 구동합니다. 추상적인 합의 메커니즘을 눈에 보이는 인터랙티브 디스플레이로 전환함으로써, 이 시스템은 강력한 교육 도구이자 네트워크 수준 파라미터를 실험할 수 있는 샌드박스로 활용됩니다.

주요 기여

• 저비용 하드웨어 기반 엔드‑투‑엔드 PoW 이더리움 클러스터 – 여러 Raspberry Pi에서 완전한 이더리움 PoW 체인을 실행한 최초의 공개 문서화된 설정.
• 디바이스 내 실시간 시각화 – 각 Pi가 LCD를 구동해 블록 높이, 해시레이트, 대기 중 트랜잭션, 합의 상태 등을 실시간으로 표시.
• 웹 기반 제어판 – 중앙 UI를 통해 네트워크 토폴로지, 지연시간, 채굴 난이도, 피어 연결성을 즉시 조정 가능.
• 교육용 툴킷 – 단계별 스크립트와 문서가 포함돼 교실, 워크숍, 해커톤 진입 장벽을 낮춤.
• 합의 저하에 대한 실증적 통찰 – 프로토타입은 지연시간, 노드 배치, 토폴로지가 PoW 수렴에 미치는 영향을 보여주며, 연구 및 디버깅을 위한 실습 플랫폼을 제공.

방법론

1. 하드웨어 스택 – 4–6대의 Raspberry Pi 4 보드(4 GB RAM) 각각에 3.5인치 LCD를 장착하고, 공통 USB 허브를 통해 전원을 공급받으며 표준 Wi‑Fi 라우터에 연결.
2. 소프트웨어 스택 – 각 Pi는 경량 Ubuntu Server 이미지, Docker Engine, 그리고 개인 PoW 네트워크용으로 설정된 공식 Go‑Ethereum 클라이언트(geth)를 포함한 커스텀 Docker 이미지를 실행.
3. 네트워크 오케스트레이션 – 중앙 웹 서버(한 대의 Pi에 호스팅)가 REST API와 React 기반 대시보드를 제공. API는 피어 리스트, tc 트래픽‑컨트롤을 이용한 인위적 지연, 채굴 난이도 등 구성 변경을 실행 중인 geth 인스턴스에 주입.
4. 시각화 파이프라인 – 각 Pi에 경량 Python 스크립트가 로컬 geth JSON‑RPC 엔드포인트를 폴링해 주요 메트릭을 추출하고, pygame 라이브러리를 사용해 LCD에 렌더링. 디스플레이는 1초마다 업데이트되며 블록 번호, 해시, 채굴자 주소, “합의 상태” 지표(녹색=동기화, 빨간색=포크)를 표시.
5. 평가 – 저자들은 지연시간(0‑200 ms), 노드 차수, 채굴 난이도를 변동시키는 일련의 실험을 수행해 네트워크가 합의에 도달하는 속도와 일시적 포크 발생 빈도를 기록.

결과 및 발견

시각화 대시보드를 통해 이러한 동적 변화를 즉시 관찰할 수 있었으며, 포크가 발생하면 LCD가 빨간색으로 깜빡이고 체인이 재동기화되면 녹색으로 돌아왔습니다. 프로토타입은 심지어 제한된 하드웨어에서도 PoW 동작과 그 실패 모드를 충실히 재현할 수 있음을 입증했습니다.

실용적 함의

• 교육 및 훈련 – 강사들은 클라우드 자원이나 고가의 채굴 장비 없이도 PoW 개념(해시 퍼즐, 블록 전파, 포크)을 시연할 수 있게 됨.
• 빠른 프로토타이핑 – 레이어‑2 솔루션, 합의 변경 패치, 맞춤형 이더리움 클라이언트를 개발하는 사람들은 지연과 토폴로지를 제어할 수 있는 실제 네트워크에서 코드를 테스트 가능.
• IoT 및 엣지 연구 – 전체 블록체인을 엣지‑클래스 디바이스에서 실행할 수 있음을 보여주어 제한된 환경에서의 탈중앙화 애플리케이션 가능성을 열어줌.
• 디버깅 및 시각화 도구 – LCD 기반 UI는 어떠한 분산 시스템에도 적용 가능한 디바이스 내 모니터링 대시보드 템플릿 역할을 함.
• 커뮤니티 홍보 – 해커톤 주최자는 참가자들이 실시간으로 체인이 성장하는 모습을 볼 수 있는 “블록체인 월”을 설치해 기술 접근성을 높일 수 있음.

제한 사항 및 향후 연구

• 확장성 – 현재 프로토타입은 소수 노드에 제한돼 있으며, 수십 대로 확장하려면 더 정교한 라우팅과 Pi의 메모리 제약을 해결해야 함.
• 성능 격차 – 기능은 구현했지만 Pi의 해시레이트는 실제 채굴기와 비교해 수십 배 낮아 고처리량 네트워크를 에뮬레이션하기는 어려움.
• 보안 범위 – 사설 네트워크는 실제 경제적 인센티브가 없으며, selfish mining 같은 공격을 완전히 재현하지 못함.
• 향후 방향 – 저자들은 다른 합의 알고리즘(예: PoS, PBFT) 통합을 통한 비교 연구, ASIC 햇과 같은 하드웨어 가속 채굴 모듈 추가를 통한 성능 트레이드오프 탐색, 원격 대시보드 및 VR/AR 인터페이스 지원을 위한 시각화 레이어 확장을 제안함.

저자

• Anton Ivashkevich
• Matija Piškorec
• Claudio J. Tessone

논문 정보

• arXiv ID: 2511.20391v1
• 분류: cs.DC
• 발표일: 2025년 11월 25일
• PDF: Download PDF