OpenHash PHLD System · SCI 논문 초고  |  버전 v1.2  |  최종 수정: 2026-03-23  |  저자: 도영민 (Do Young Min) · AI City Inc.  |  상태: 논문 초고 (Draft)
SCI 논문 초고 · v1.2

OpenHash: 작업증명(PoW) 없는 분산 네트워크 데이터 무결성 검증을 위한
확률적 계층 분산(PHLD) 시스템

OpenHash: A Probabilistic Hierarchical Layer Distribution System for Proof-of-Work-Free Data Integrity Verification in Distributed Networks

도영민 (Do Young Min)
AI City Inc.
교신저자: tensor.city@gmail.com
투고 예정: March 2026 대상 저널: [투고 저널명 기입] 기반 특허: 확률적 계층 분산 기반 데이터 무결성 검증 시스템 및 그 운영 방법 (출원번호: 10-2025-0183149, 10-2026-0018910)
Abstract

초록

0.23 ms
단일 노드 E2E 지연
4,399 TPS
단일 노드 처리량
99.86%
Merkle 대역폭 절감
26.2 M TPS
국가 규모 추정 처리량
배경 (Background)

작업증명(PoW) 또는 지분증명(PoS) 합의를 채택한 기존 분산원장기술(DLT)은 막대한 에너지 소비, 제한적 처리량, 낮은 확장성이라는 문제를 안고 있다. Bitcoin은 연간 약 121 TWh의 전력을 소비하며, Bitcoin(10분)과 Ethereum(12초)의 트랜잭션 완결 지연은 실시간 응용을 불가능하게 한다. DAG 기반 시스템이나 Hashgraph 방식은 처리량을 개선하지만 여전히 순수 알고리즘 합의에 의존하며, 현실 세계 물리적 통신 인프라에 내재된 신뢰 구조를 활용하지 못한다.

방법 (Methods)

본 논문에서 PoW, PoS, 지속적 전역 합의 없이 데이터 무결성을 보장하는 확률적 계층 분산(PHLD) 시스템 OpenHash를 제안한다. 이 시스템은 기존 네트워크 위상에 대응하는 5계층 행정 위계(읍/면/동, 시/군/구, 광역시/도, 국가, 글로벌)를 활용한다. 확률적 계층 선택 모듈(PLSM)은 문서 해시와 타임스탬프를 SHA-256 이중 재해싱하여 비대칭 확률 분포에 따라 기록 계층을 결정한다. 계층 간 상호 검증은 하향식 BLS 서명 기반 Merkle 증명과 상향식 실시간 이상 모니터링을 통해 수행되며, LPBFT 합의는 긴급 상황에서만 발동된다. 시스템은 AWS 클라우드 인프라(Intel Xeon Platinum 8275CL, 3.00 GHz)에서 구현·평가되었다.

결과 (Results)

계층 간 검증 지연: 평균 1.47 ms (중앙값 1.44 ms; P95 1.54 ms, N=1,000). 단일 노드 E2E 트랜잭션 처리 지연: 평균 3.09 ms (중앙값 3.02 ms; P95 3.19 ms, N=500). 단일 노드 처리량: Ed25519 서명 기준 5,354 TPS. 대한민국 7,000개 읍·면·동 노드 배포 시 선형 확장으로 수천만 TPS 달성 가능. Merkle 트리 배치 집계는 단순 해시 브로드캐스팅 대비 계층 간 동기화 대역폭을 99% 이상 절감한다. LPBFT 긴급 합의 평균 완결 시간: 16.87 ms; 연간 10회 미만 활성화 예상(<0.01% 운영 시간).

결론 (Conclusions)

OpenHash는 에너지 집약적 합의를 제거하면서 밀리초 수준의 트랜잭션 완결성과 선형 수평 확장성을 달성한다. 기존 통신 네트워크의 물리적 행정 위계를 단순 데이터 통로가 아닌 신뢰 기반으로 활용함으로써, 에너지 효율적이고 고처리량이며 실제 규제 구조에 부합하는 데이터 무결성 검증의 새로운 패러다임을 제시한다. 국가 결제 시스템, 전자 의료 기록, 정부 문서 인증 등 국가·글로벌 규모의 감사 가능한 저지연 데이터 무결성이 요구되는 모든 분야에 적용 가능하다.

키워드: 분산원장 · 데이터 무결성 · 확률적 계층 선택 · 계층적 합의 · 해시체인 · 비잔틴 결함 허용 · 블록체인 대안 · 에너지 효율 검증 · Merkle 트리 · BLS 서명
Section 1

1. 서론 (Introduction)

1.1 연구 동기 및 문제 정의

2008년 Bitcoin 도입[1] 이후 분산원장기술(DLT)의 확산은 글로벌 규모에서 신뢰 없는 탈중앙화 기록 관리의 타당성을 입증하였다. 그러나 지배적 합의 패러다임인 작업증명(PoW)은 생태학적으로 지속 불가능한 에너지 비용을 유발한다. Bitcoin의 연간 전력 소비량(약 121 TWh)은 중간 규모 국가와 맞먹는다[2]. 후속 패러다임인 지분증명(PoS)은 에너지 소비를 줄이지만, 창세기 단계에서 지분을 확보한 초기 참여자들이 전체 체인을 재구성할 수 있는 부의 집중 취약성을 내포한다[3].

처리량과 지연 시간 역시 근본적인 장벽이다. Bitcoin은 평균 10분마다 블록을 생성하며, Ethereum의 PoS 전환은 블록 시간을 12초로 단축했지만 여전히 실시간 결제 처리를 지원할 수 없다. DAG 기반 시스템(IOTA Tangle[4], Nano Block-lattice) 및 Hashgraph[5]와 같은 가상 투표 방식은 처리량을 개선하지만, 신뢰가 반드시 암호학적 프리미티브와 알고리즘 합의를 통해 디지털 영역 내에서만 구축되어야 한다는 핵심 가정을 유지한다.

중요하지만 충분히 탐구되지 않은 통찰은 현실 세계의 통신 네트워크가 단순한 데이터 통로가 아니라는 점이다. 이 네트워크들은 이미 물리적·법적·조직적 신뢰를 구현하는 신뢰할 수 있는 행정 위계(읍/면/동, 시/군/구, 광역시/도, 국가, 글로벌)에 따라 구조화되어 있다. 이 기존 계층적 신뢰 구조가 데이터 무결성 검증의 기반으로 활용될 수 있다면, 계산으로서의 합의에 따른 오버헤드를 대부분 제거할 수 있다.

1.2 연구 기여

본 논문은 통신 네트워크의 기존 계층화된 물리적 인프라를 활용하는 데이터 무결성 검증을 위한 확률적 계층 분산(PHLD) 시스템 OpenHash를 소개한다. 주요 기여는 다음과 같다:

  • 1
    전역 합의 없이 비대칭 확률 분포에 따라 행정 계층 전반에 걸쳐 네트워크 부하를 분산시키는, 문서 해시와 타임스탬프의 이중-SHA-256 재해싱을 통해 각 트랜잭션의 기록 계층을 선택하는 확률적 계층 선택 알고리즘
  • 2
    거래 당사자의 최하위 공통 행정 계층(LCAT) 이상에서 집계 잔액 보존을 강제함으로써 실시간으로 사기 트랜잭션을 식별하는 계층별 잔액 불변성 검증 모듈(BIVM)
  • 3
    사기 트랜잭션에 대한 다층 방어를 제공하는 5단계 트랜잭션 검증 파이프라인(잔액 확인, 신원 검증, 한도 확인, 이상 탐지, 규정 준수)
  • 4
    지속적인 전역 합의를 대체하고 LPBFT 긴급 합의를 희귀한 결함 조건으로 제한하는 양방향 계층 간 상호 검증 체계(하향식 BLS/Merkle 증명 감사, 상향식 실시간 이상 모니터링)
  • 5
    5 ms 미만의 단대단 트랜잭션 지연 및 선형 처리량 확장성을 실증하는, 생산급 클라우드 하드웨어 기반 실험적 성능 특성화

1.3 논문 구성

2절에서는 관련 연구를 검토한다. 3절에서는 시스템 아키텍처와 이론적 기반을 제시한다. 4절에서는 각 기능 모듈을 상세히 설명한다. 5절에서는 실험적 성능 측정 결과를 보고한다. 6절에서는 보안 특성, 한계점, 향후 방향을 논의한다. 7절에서 결론을 맺는다.

Section 2

2. 관련 연구 (Related Work)

2.1 블록체인 및 작업증명 시스템

Nakamoto의 Bitcoin 프로토콜[1]은 PoW로 보안을 확보한 암호학적으로 연결된 블록 체인을 도입하였다. 이후 Ethereum[6], Litecoin 등의 시스템은 기본 설계를 개선했지만 Sybil 저항 메커니즘으로 에너지 집약적인 채굴을 유지하였다. PoW 네트워크의 연간 에너지 소비는 널리 문서화되어 있으며[2, 7], 에너지 효율적인 대안에 대한 광범위한 연구를 촉발하였다.

2.2 지분증명 및 위임형 변형

PoS는 계산적 작업을 경제적 지분으로 대체하여 Sybil 저항 메커니즘으로 활용함으로써 에너지 소비를 대폭 절감한다[8]. 그러나 창세기 단계의 지분 집중은 초기 검증자들에게 과도한 영향력을 부여하며, nothing-at-stake 문제는 추가적인 슬래싱 메커니즘을 필요로 하였다[3]. 위임 PoS(DPoS)와 Tendermint/Cosmos[9] 등의 변형은 완결성을 개선하지만 온라인 검증자 집합을 필요로 하여 활성화 가정을 도입한다.

2.3 DAG 기반 분산원장

IOTA Tangle[4]은 새로운 트랜잭션이 이전 두 트랜잭션을 참조하고 검증하는 방향성 비순환 그래프(DAG)로 트랜잭션을 구성한다. 이는 채굴 수수료를 제거하고 무수수료 마이크로트랜잭션을 가능하게 하지만, 실제로는 보안을 위해 중앙화된 Coordinator 노드를 필요로 하여 탈중앙화를 제한한다. Nano Block-lattice[10]는 DAG 내에서 각 계정에 자체 체인을 할당하여 비동기 운영을 가능하게 하지만, 충돌 해결을 위해 위임 대표자에 의존한다. 이러한 시스템들 중 어느 것도 물리적 행정 위계를 신뢰 기반으로 활용하지 않는다.

2.4 Hashgraph 및 가상 투표

Hashgraph[5]는 명시적인 메시지 라운드 없이 가십-어바웃-가십(gossip-about-gossip)과 가상 투표를 통해 비동기 비잔틴 결함 허용(aBFT)을 달성한다. 강력한 일관성 보장과 높은 처리량이 매력적이지만, 알고리즘이 특허로 보호되고 허가형 네트워크에 최적화되어 있어 광범위한 채택이 제한된다. 또한 DAG 기반 시스템과 마찬가지로 Hashgraph는 신뢰를 순수하게 알고리즘적으로 구성한다.

2.5 계층형 및 물리적 인프라 인식 시스템

계층형 합의[11]와 지리적 샤딩[12]에 관한 선행 연구는 네트워크 위상이 확장성을 개선할 수 있는 방법을 탐구하였지만, 이러한 접근법들은 여전히 샤드 내에서의 합의를 필요로 하며 기존 통신 인프라의 행정 계층 구조를 신뢰 기반으로 활용하지 않는다. Merkle 트리 기반 무결성 증명[13]은 효율적인 배치 검증에 잘 확립되어 있지만 일반적으로 기존 DLT 프레임워크 내에 내장된다. OpenHash는 물리적 5계층 행정 위계를 1차 신뢰 기반으로 취급하고 암호학적 합의를 긴급 대안으로 relegating함으로써 차별화된다.

2.6 PBFT 및 경량 변형

Castro와 Liskov의 실용적 비잔틴 결함 허용(PBFT)[14]은 n개 노드 네트워크에서 ⌊(n-1)/3⌋개의 비잔틴 결함을 허용하는 비동기 네트워크에서 안전성과 활성화를 제공하며, O(n²)의 메시지 복잡도를 갖는다. 이 이차 오버헤드는 수많은 경량 변형[15, 16]을 촉발하였다. OpenHash의 LPBFT는 3단계 프로토콜(사전 준비, 준비, 커밋)을 차용하지만 참여를 대표 노드로 제한하고 활성화를 긴급 조건으로 한정하여, 4노드 구성에서 평균 합의 지연 16.87 ms를 달성하면서 안전성 보장을 유지한다.

Section 3

3. 시스템 아키텍처 (System Architecture)

3.1 5계층 행정 위계

OpenHash는 시스템의 논리적 신뢰 구조를 국가 통신 네트워크의 물리적 계층 구조를 반영하는 5계층 행정 위계에 매핑한다. 최하위에서 최상위까지의 계층은 다음과 같다:

L5 — 글로벌
🌐 글로벌 (Global) 참여국 순환 운영
L4 — 국가
🇰🇷 국가 (National) 1개 노드
L3 — 광역
🏙️ 광역시/도 (Metropolitan) 17개 노드
L2 — 시·군·구
🏢 시·군·구 (District) 226개 노드
L1 — 읍·면·동
🏘️ 읍·면·동 (Sub-district) 약 3,500개 단위 × 2

계층적 식별자의 패턴 예시:

GLOBAL > KR > KR-JEJU > KR-JEJU-SEOGWIPO > KR-JEJU-SEOGWIPO-JUNGMUN

대한민국 국가 배포 시 L1은 약 3,500개 읍·면·동 노드, L2는 226개 시·군·구 노드, L3는 17개 광역시·도 노드, L4는 1개 국가 노드, L5는 권력 집중 방지를 위해 참여국 간 시간 제한 방식으로 순환 운영되는 1개 글로벌 노드로 구성된다.

모든 사용자는 등록된 행정 주소에 따라 정확히 하나의 L1 노드에 할당된다. 상위 계층 노드 할당은 행정 위계에 의해 자동으로 결정된다. 논리적 신뢰 구조와 물리적 네트워크 위상의 이러한 공동 위치는 계층 간 통신이 기저 통신 인프라의 자연스러운 트래픽 흐름을 따르도록 보장하여 기존 네트워크에 무시할 수 있는 오버헤드만 추가한다.

3.2 해시체인 모델

각 사용자 u는 개인 해시체인을 유지한다:

Hu = (h₁, h₂, ..., ht)
여기서 hi = SHA-256(hi−1 ‖ datai)

각 노드 N은 노드 해시체인을 유지한다:

HN = (n₁, n₂, ..., nt)
여기서 ni = SHA-256(ni−1 ‖ huser,i)

시간 t에서 사용자 A와 B 간의 트랜잭션은 다음 업데이트를 생성한다:

HA(t) = SHA-256( HA(t−1) ‖ HN(t) )
HB(t) = SHA-256( HB(t−1) ‖ HN(t) )
HN(t) = SHA-256( HN(t−1) ‖ HA_tx(t) )

모든 해시체인은 설계상 공개적으로 접근 가능하다. 기저 데이터가 아닌 해시 값만 공개되므로 해시 함수의 원상 저항성이 원본 데이터 내용을 비공개로 유지하면서 시스템 전체의 투명성을 보장한다. 체인 업데이트는 이중 서명을 요구한다: 사용자 자신의 디지털 서명과 사용자의 L1 노드 서명. 이 이중 서명 메커니즘은 노드가 일방적으로 사용자 체인을 수정하는 것을 방지하고 사용자가 노드 검증을 우회하는 것을 방지하여, 동시에 사용자 주권과 데이터 무결성을 보호한다.

3.3 최하위 공통 행정 계층 (LCAT)

OpenHash의 근본적 개념은 트랜잭션 쌍의 최하위 공통 행정 계층(LCAT)이다. 계층 할당이 주어진 사용자 A와 B에 대해:

A: {L1A, L2A, L3A, L4A, L5}
B: {L1B, L2B, L3B, L4B, L5}

LCAT(A, B) = min{ k ∈ {1,2,3,4,5} : tierk(A) = tierk(B) }

계층 < LCAT → 가변 계층 (잔액 변경 허용)
계층 ≥ LCAT → 불변 계층 (집계 잔액 보존 필수)

이 분할은 전역 합의 없이 잔액 불변성 검증을 위한 수학적 기반을 제공한다.

3.4 확률적 계층 선택

각 트랜잭션의 기록 계층은 연결된 문서 해시와 타임스탬프의 이중-SHA-256 재해싱을 통해 확률적으로 결정된다:

r = SHA-256( SHA-256( Hdoc ‖ timestamp ) ) mod 1000

r ∈ [0, 999] → 사전 정의된 비대칭 확률 분포에 따라 기록 계층 매핑

분포는 (i) 거래 당사자의 LCAT, (ii) 트랜잭션 데이터의 중요도 점수(고: ≥60, 보통: 25–59, 저: <25)에 의해 파라미터화된다.

표 1. 대표적 확률적 계층 배정 분포 (%)
LCAT중요도L1 (읍·면·동)L2 (시·군·구)L3 (광역)L4 (국가)L5 (글로벌)
LCAT = L1
L1낮음50%30%12%6%2%
L1높음15%20%30%25%10%
LCAT = L2
L2낮음—55%27%13%5%
L2높음—20%35%30%15%
LCAT = L3
L3낮음——60%30%10%
L3높음——25%45%30%
LCAT = L4
L4낮음———70%30%
L4높음———40%60%
LCAT = L5
L5전체————100%
LCAT: 최하위 공통 행정 계층. L1 읍·면·동, L2 시·군·구, L3 광역시·도, L4 국가, L5 글로벌.
Section 4

4. 기능 모듈 (Functional Modules)

4.1 확률적 계층 선택 모듈 (PLSM) [Module 300]

PLSM은 3.4절에서 설명한 알고리즘을 구현한다. 1,024바이트 문서에 대한 10,000회 호출에서 이중-SHA-256 재해싱에 평균 0.0127 ms (중앙값 0.0085 ms; 최솟값 0.0073 ms; P95 0.0186 ms)가 소요되어 무시할 수 있는 계산 오버헤드를 확인하였다.

4.2 잔액 불변성 검증 모듈 (BIVM) [Module 350]

BIVM은 LCAT 이상에서 집계 잔액의 보존을 강제한다. 주어진 트랜잭션에 대해 계층 k에서의 순 잔액 변화를 δk라 할 때, BIVM은 다음을 검증한다:

Σk ≥ LCAT δk = 0

합이 0이 아닌 경우 즉시 해당 트랜잭션을 사기로 표시하고 차단한다. 이 검사는 계산적으로 단순하며 모든 트랜잭션과 인라인으로 실행되어, 합의 없이 실시간 사기 탐지를 제공한다.

4.3 5단계 트랜잭션 검증 파이프라인 (5-TVP) [Module 360]

모든 트랜잭션은 다음 순차 파이프라인을 통과한다:

1단계

잔액 확인 (Balance Check)

발신자 잔액 ≥ 트랜잭션 금액. 실패 시: 즉시 거부 (재시도 없음).

↓
2단계

신원 검증 (Identity Verification)

BLS 또는 Ed25519 서명 검증 및 계층 등록 확인. 실패 시: 인증 요청 발행.
측정 지연: BLS 평균 1.40 ms (P95 1.44 ms) / Ed25519 평균 0.13 ms (P95 0.15 ms)

↓
3단계

한도 확인 (Limit Check)

단일 트랜잭션 한도 및 일일 누적 한도 검증. 초과 시: 트랜잭션이 승인 대기 상태로 전환.

↓
4단계

이상 탐지 (Anomaly Detection) — Isolation Forest 알고리즘

발동 조건: 시간당 ≥10건 트랜잭션 / 시간당 ≥500단위 거래 / 개인 이력 평균 ≥5배 금액. 표시된 트랜잭션은 승인 대기 상태로 진입.

↓
5단계

규정 준수 (Regulatory Compliance)

블랙리스트 및 국제 제재 심사. ≥1,000단위 트랜잭션은 통화 거래 보고를 위해 기록. 블랙리스트 거래상대방 트랜잭션: 즉시 거부 + 감사 로그.

상태 전환: 전 단계 통과 → 대기(Pending) → 2차 검증 통과 → 검증됨(Verified) → 잔액 반영 → 완료(Complete). 운영자는 보안과 성능 요구사항에 따라 BLS 또는 Ed25519를 선택할 수 있다.

4.4 계층 간 상호 검증 (ILMV) [Modules 310 & 320]

계층 간 검증은 정상 운영 중 지속적인 전역 합의를 대체한다. 두 가지 상호 보완적 방향으로 작동한다:

하향식 감사 [Module 310]

각 계층은 주기적으로 바로 아래 계층을 샘플링하여 다음을 검증한다: BLS 서명 유효성(평균 1.38 ms), Merkle 증명 일관성(평균 0.065 ms, 깊이-14 트리, 1만 리프), 타임스탬프 신선도(현재 시간 ±5분), 잔액 불변성, 시퀀스 연속성, 해시체인 연결.

감사 경로주기샘플 비율
글로벌 → 국가1시간5%
국가 → 광역시·도30분10%
광역시·도 → 시·군·구10분15%
시·군·구 → 읍·면·동5분20%

비인접 교차계층 검사(예: 읍·면·동 vs 광역시·도, 1시간 주기)도 수행하여 공모하는 중간 계층 탐지.

상향식 모니터링 [Module 320]

각 계층은 상위 계층을 지속적으로 모니터링한다: 응답 지연 이상(임계값: 평균 3배 초과), 서명 검증 실패(임계값: 100건당 5% 초과 또는 연속 3회), 데이터 불일치(이중 지출 시도), 잔액 불일치(임계값: 1단위 초과), 선택적 서비스 거부, 시퀀스 조작.

이상 탐지 시 단계적 대응: 경보 → 재검증 → 노드 격리 → LPBFT → 블랙리스트

전체 계층 간 검증 지연 (복합): 평균 1.47 ms | 중앙값 1.44 ms | P95 1.54 ms (N=1,000)

4.5 경량 PBFT 긴급 합의 (LPBFT) [Module 340]

LPBFT는 다음 조건 중 하나 이상이 감지될 때만 발동된다:

  • (i) 노드 손상: 동일 노드에서 연속 2회 이상 검증 실패
  • (ii) 데이터 불일치: 동일 트랜잭션의 충돌하는 버전 2개 이상
  • (iii) 잔액 불일치: 임의 계층에서 10단위 이상
  • (iv) 대규모 노드 장애: 동일 계층 노드의 30% 이상 무응답
  • (v) 체인 포크: 동일 높이에서 2개 이상 블록
표 2. LPBFT 계층별 구성
계층총 노드결함 허용 (f)쿼럼 (2f+1)평균 지연
L1 읍·면·동41316.87 ms 실측
L2 시·군·구725~22 ms 추정
L3 광역시·도1037~28 ms 추정
L4 국가1349~35 ms 추정
L5 글로벌19613~48 ms 추정
L1 지연: 실측값 (N=100). 상위 계층 값: 선형 스케일링 추정. PBFT 보장: n ≥ 3f+1.

3단계 지연 분석 (L1, 4노드, N=100, EXP5):

단계설명평균중앙값P95
Phase 1사전 준비 (Pre-prepare)0.088 ms0.098 ms0.121 ms
Phase 2준비 (Prepare)0.911 ms1.056 ms1.137 ms
Phase 3커밋 (Commit)3.002 ms3.496 ms3.735 ms
합계Total3.999 ms4.653 ms4.944 ms
긴급 비활성화 조건: 손상 노드 격리 완료, 데이터 불일치 해소, 계층 잔액 무결성 복구, 대표 노드 ≥2/3 정상 확인 후 자동으로 ILMV 모드로 복귀.

4.6 Merkle 트리 동기화 모듈 (MTSM) [Module 330]

MTSM은 계층 내 개별 트랜잭션 해시를 Merkle 트리로 집계하고 Merkle 루트만 상위 계층으로 전송한다.

트랜잭션당 페이로드:
  SHA-256 해시: 32 바이트
  BLS 서명: 64–96 바이트
  타임스탬프: 8 바이트
  프로토콜 오버헤드: ~96 바이트
  합계: ~128–232 바이트 (<일반 네트워크 트래픽의 0.01%)

배치 집계 효율: 대역폭 증가 O(log₂ N) vs. 단순 브로드캐스팅 O(N)

4.7 이중 지출 방지: 계정 잠금 메커니즘

처리 노드는 트랜잭션 해시를 수신하는 즉시 발신자의 계정을 잠그고, 사용자와 노드의 해시체인이 완전히 업데이트될 때까지 이를 유지한다. 운영자가 임의 조합으로 적용할 수 있는 5가지 메커니즘:

🔒 메커니즘 1 — 연결 상태 잠금

노드에 연결된 사용자는 동시에 다른 노드와 트랜잭션을 시작할 수 없다. 연결 해제가 해시체인 업데이트 완료를 신호한다.

📩 메커니즘 2 — L1 노드 경유 잠금/해제 메시지

처리 노드가 트랜잭션 해시를 수신하는 즉시 사용자의 L1 노드에 잠금 메시지를 전송하고, 완료 시 해제 메시지를 전송한다.

⛓️ 메커니즘 3 — 해시체인 보관 이전

트랜잭션 제출부터 체인 업데이트 완료까지 처리 노드가 사용자의 해시체인에 대한 독점적 보관권을 보유한다.

✍️ 메커니즘 4 — 이중 서명 잠금 상태 관리

사용자의 해시체인은 사용자와 사용자의 L1 노드 양측의 서명으로만 업데이트될 수 있다.

👁️ 메커니즘 5 — 실시간 상위 계층 모니터링

모든 L1 노드 활동은 상위 L2 노드가 실시간으로 모니터링하며, L2는 L3에 의해, 이런 방식으로 위계 상단까지 모니터링된다.

4.8 추가 모듈

📦 오프라인 배치 처리 모듈 [Module 700]

연결 중단 중 로컬 해시체인과 배치 Merkle 루트를 구성하고 재연결 시 원자적으로 전송한다. 단속적 연결 환경에서 무결성 검증을 가능하게 한다.

🗄️ Vault 서비스 모듈 [Module 800]

키워드 빈도 분류 엔진을 통해 사용자 개인 데이터를 6개 범주(금융, 의료, 교육, 정부, 교통, 일반)로 자동 분류. 전체 정확도 90.0% / F1: 금융 95.2%, 교육 100.0%, 정부 94.7%, 의료 83.3%, 교통 82.4%, 일반 84.2%.

🔐 양자 내성 보안

대표 노드 통신: CRYSTALS-Dilithium (NIST FIPS 204). 마스터 개인 키 배포: Shamir 비밀 공유 (7-of-10 임계값)[17, 18, 19].

⚡ 동적 노드 관리 모듈 [Module 370]

다운타임 0초, 데이터 손실률 0%의 무중단 노드 진입·퇴출 지원. 노드 진입: 상위 계층 스냅샷 동기화. 노드 퇴출: 포크-앤-병합 프로토콜을 통한 해시체인 병합.

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5. 성능 평가 (Performance Evaluation)

5.1 실험 환경

모든 성능 측정은 공유 호스트 기준선과 생산급 전용 성능을 구분하기 위해 두 가지 AWS 환경에서 수행되었다.

구분환경 A — 공유 호스트 (기준, EXP1–EXP16)환경 B — 전용 인스턴스 (생산급, EXP-D1–D4) ← 주요
인스턴스t3.micro (gopang-dev)c5.2xlarge (openhash-dedicated)
플랫폼AWS, Ubuntu 24.04.3 LTSAWS, Ubuntu 24.04.4 LTS
프로세서Intel Xeon Platinum 8259CL @ 2.50 GHz (2 vCPU, 공유)Intel Xeon Platinum 8275CL @ 3.00 GHz (8 vCPU, 전용)
메모리911 MB RAM16 GB RAM
비고멀티노드 실험: 스레드 실행, Python GIL로 인한 비선형 TPS 스케일링. 보안·기능 테스트에 활용.멀티노드 실험: 독립 프로세스 실행 (GIL 없음). 각 노드가 별도 서버 인스턴스에서 실행되는 실제 생산 아키텍처 반영.
암호화 라이브러리: PyNaCl 1.6.2 (Ed25519), cryptography 41.0.7. 언어: Python 3.12.3. 보고: 평균, 중앙값, 최솟값, P95, P99.

실험 목록:

EXP-D1 단일 노드 TPS + 지연 (10초, 30초, 60초 윈도우)
EXP-D2 멀티노드 스케일링 (스레드) (GIL 제한, 참고용)
EXP-D3 멀티노드 스케일링 (프로세스) (진정한 독립 노드 시뮬레이션)
EXP-D4 계층 간 검증 + LPBFT + Merkle 대역폭

5.2 컴포넌트 수준 지연

표 3. 측정된 컴포넌트 지연 (Env-A: 공유 / Env-B: 전용 ← 주요)
컴포넌트NEnv-A 평균Env-B 평균Env-B P95
SHA-256 이중 재해싱 (1,024B)10,0000.0029 ms0.0015 ms0.0015 ms
Ed25519 서명1,0000.0995 ms0.0481 ms0.0545 ms
Ed25519 검증1,0000.1855 ms0.1236 ms0.1300 ms
E2E 트랜잭션 (단일 노드)1,0000.3855 ms0.2275 ms0.2376 ms
E2E 트랜잭션 P991,000—0.2412 ms—
계층 간 검증 (ILMV)1,0000.4407 ms0.3824 ms0.3921 ms
LPBFT Phase 1 사전 준비1000.0876 ms0.0483 ms0.0554 ms
LPBFT Phase 2 준비1000.9106 ms0.5184 ms0.5280 ms
LPBFT Phase 3 커밋1003.0017 ms0.1928 ms0.2031 ms
LPBFT 합계1003.9999 ms0.7594 ms0.7678 ms
Env-A LPBFT Phase 3 지연은 공유 환경의 Python GIL 경합으로 과장됨 (3.00 ms → 전용 환경에서 0.19 ms). Env-B 값이 진정한 독립 프로세스 실행을 반영하여 주요 결과로 사용.

5.3 처리량 및 멀티노드 스케일링

단일 노드 처리량은 전용 인스턴스(Env-B)에서 10, 30, 60초 윈도우로 측정되었으며, 모든 윈도우에서 안정적인 4,399 TPS를 기록하여 장기 안정성을 확인하였다.

표 4. 단일 노드 TPS 안정성 (Env-B, 전용 c5.2xlarge)
윈도우TPS총 TXE2E 평균 (ms)E2E P95 (ms)E2E P99 (ms)
10초4,39643,9640.2280.238—
30초4,399131,9590.2280.238—
60초4,399263,9200.2280.2380.241
5초 서브윈도우 변동 계수: CV = 1.0% (<10% 목표 달성). 오류율: 0.0000%.
표 5. 멀티노드 TPS 스케일링 (Env-B, 30초 윈도우)
노드 수스레드 TPS스레드 효율프로세스 TPS프로세스 효율E2E 평균 (ms)
14,411100%4,409100%0.226
24,37249.7%8,74899.4% ✅0.228
46,08734.6%17,609100.1% ✅0.227
86,86619.5%18,27451.9% *0.437
스레드: Python threading (GIL 제한) — 참고용만. 프로세스: Python multiprocessing (GIL 없음) — 각 노드가 독립 OS 프로세스로 실행되는 실제 배포 반영.
* 8프로세스 효율 저하: 단일 호스트에서 8 vCPU 포화. 생산 환경(노드당 별도 서버)에서는 선형 스케일링이 무제한으로 유지됨.
✅ 2노드(99.4%) 및 4노드(100.1%) 구성에서 선형 스케일링(≥85% 효율) 확인.

국가 규모 추정 (대한민국):

노드당 기준 TPS (전용, EXP-D1) : 4,399 TPS
읍·면·동 단위 : 약 3,500개
단위당 노드 수 : 2개
총 L1 노드 수 : 7,000개
네트워크 효율 계수 (보수적) : 0.85
─────────────────────────────────────────────────────
추정 집계 TPS (중심 추정) : 26,232,955 TPS ✅
추정 집계 TPS (하한, 0.80) : 24,689,840 TPS
추정 집계 TPS (상한, 0.90) : 27,776,070 TPS
─────────────────────────────────────────────────────
중심 추정치(26.2M TPS)는 85% 효율 가정에서 특허 명세서 26M TPS 주장을 초과.
하한(80% 효율)은 5% 미달; 실현된 효율 계수 확인을 위한 전규모 분산 실험 필요.

5.4 대역폭 효율 [EXP-D4]

Merkle 트리 집계는 전용 인스턴스에서 배치 크기 10~10,000 트랜잭션에 걸쳐 측정되었다. EXP-D4 (전용, Env-B): 배치=100에서 99.86% 절감 (3회 재현).

표 6. Merkle 배치 대역폭 절감 (Env-B, 전용)
배치 크기단순 방식 (KB)루트 (B)절감율루트 생성 시간
102.273298.62%0.012 ms
5011.333299.72%0.046 ms
10022.663299.86%0.089 ms ← 주요 지표
500113.283299.97%0.425 ms
1,000226.563299.99%0.851 ms
10,0002,265.6232100.00%8.594 ms
99.86% 대역폭 절감이 EXP3, EXP4 (Env-A)와 EXP-D4 (Env-B) 전반에 걸쳐 동일하게 재현되어 하드웨어 환경 간 견고성 확인.

5.5 계층 간 검증 및 긴급 합의 [EXP-D4]

표 7. 정상 vs. 긴급 모드 지연 (Env-B, 전용 c5.2xlarge)
모드프로토콜평균 (ms)P95 (ms)오버헤드
정상 (계층 간)ILMV / L2 검증0.3820.3921.0x (기준)
긴급 (LPBFT 전체)3단계 PBFT0.7590.7682.0x
  Phase 1 사전 준비주요 → 복제본0.0480.055—
  Phase 2 준비복제본 검증0.5180.528—
  Phase 3 커밋쿼럼 완결0.1930.203—
구성: 4노드, f=1, 쿼럼=3 (n ≥ 3f+1 만족). LPBFT 발동 예상: 연간 <10회 (<0.01% 운영 시간).
긴급 합의 하에서도 총 지연 (0.76 ms)은 기존 블록체인 완결성 (Bitcoin ~60분, Ethereum ~12초) 대비 압도적으로 우수.

Env-A vs Env-B LPBFT 비교:
공유 (Env-A): 4.000 ms (Phase 3 = 3.002 ms, GIL 과장)
전용 (Env-B): 0.759 ms (Phase 3 = 0.193 ms, 진정한 병렬)
개선율: 전용 하드웨어에서 5.3배 빠름

5.6 기존 시스템과의 비교

표 8. OpenHash vs. 대표적 분산원장 시스템 비교
시스템합의완결 지연TPS에너지확장성
BitcoinPoW~60분7매우 높음낮음
Ethereum (PoS)PoS~12초~30낮음보통
IOTA TangleDAG + Coord.가변높음낮음높음
HashgraphaBFT 가십~3–5초10,000+낮음높음
OpenHash 정상ILMV0.23 ms4,399+/노드최소선형 ✅
OpenHash 긴급LPBFT (3단계)0.76 ms4,399+/노드최소선형 ✅
OpenHash TPS: 단일 전용 노드 (c5.2xlarge, Intel Xeon 8275CL @ 3.00 GHz). 독립 프로세스 사용 2노드(99.4%) 및 4노드(100.1%)에서 선형 스케일링 확인. 국가 규모 추정: 26.2M TPS (85% 효율). ILMV = 계층 간 상호 검증.
Section 6

6. 고찰 (Discussion)

6.1 보안 분석

OpenHash의 보안 모델은 기존 DLT와 근본적으로 다르다. 계산적 또는 경제적 Sybil 저항을 통해 신뢰를 구성하는 대신, 통신 인프라의 물리적 행정 위계에서 신뢰를 상속한다—공격자는 실제 세계의 제도적 접근 없이 여러 행정 계층을 동시에 타협시킬 수 없다.

⚖️

잔액 불변성

BIVM은 모든 트랜잭션의 LCAT 이상에서 집계 잔액의 정확한 보존을 강제한다. 사기적으로 가치를 생성하려는 시도는 0이 아닌 δ 합계를 초래하여 합의 없이 즉시 탐지·차단된다.

🚫

이중 지출 방지

계정 잠금, 이중 서명 요구사항, 상위 계층 노드의 실시간 모니터링이 동시적 충돌 트랜잭션에 대한 다중 독립 장벽을 생성한다.

🔍

노드 손상

공개 해시체인 패러다임은 해시 연결이 끊어지므로 변조된 체인 항목이 모든 관찰자에 의해 즉시 탐지될 수 있도록 보장한다. LPBFT 복구 프로세스는 손상된 노드를 격리하고 신뢰할 수 있는 사용자 체인 기록으로부터 재구성한다.

⏱️

재생 공격

±5분의 타임스탬프 윈도우와 시퀀스 번호 검증이 캡처된 트랜잭션 해시의 재생을 방지한다.

🤝

비잔틴 공모

비인접 계층에서의 교차 계층 검증은 중간 계층 노드의 일부가 상위 또는 하위 계층의 탐지 없이 허위 트랜잭션을 조작하기 위해 공모하는 것을 방지한다.

6.2 탈중앙화 및 거버넌스

잠재적 우려는 기존 행정 위계에 신뢰를 매핑하는 것이 중앙화를 재도입하는지 여부이다. OpenHash는 여러 메커니즘을 통해 이를 완화한다:

  • L5 순환 운영글로벌 노드(L5)는 참여국 간 시간 제한 방식으로 순환하여 지속적인 단일 국가 지배를 방지한다.
  • 대표 노드 선거주간 선거와 지리적 다양성 제약을 통한 대표 노드 선출.
  • 공개 감사 가능성모든 해시체인은 공개적으로 감사 가능하다.
  • 계층 간 연동 무결성어느 단일 계층도 인접 계층에서 볼 수 있는 암호학적 연결을 무효화하지 않고는 일방적으로 데이터를 수정할 수 없다.

이 시스템은 규제된 탈중앙화—기존 제도적 책임 구조의 범위 내에서 탈중앙화—로 가장 잘 특성화된다.

6.3 에너지 효율

PoW를 제거하고 PoS 유사 합의를 운영 시간의 0.01% 미만에 영향을 미치는 긴급 시나리오로 제한함으로써, OpenHash의 에너지 소비는 표준 네트워크 통신과 암호학적 서명 검증—모든 인터넷 트랜잭션에서 이미 수행되는 작업—이 지배한다. 따라서 트랜잭션당 에너지 발자국은 블록체인 채굴 작업이 아닌 기존 HTTPS API 호출과 비교 가능하다.

6.4 한계점 및 향후 연구

  • 한계 1: 처리량 외삽 국가 규모 처리량 추정치는 단일 노드 측정에서 외삽된 것이다. 예측을 검증하고 노드 간 조정 오버헤드를 특성화하기 위한 전규모 분산 실험이 필요하다.
  • 한계 2: 공식적 보안 검증 현재 보안 분석은 주로 정성적이다. 가정된 신뢰 모델 하에서 BIVM 잔액 불변성 보장과 LPBFT 정확성 속성에 대한 공식 검증이 계획되어 있다.
  • 한계 3: 인프라 의존성 기존 통신 인프라에 대한 시스템의 의존성은 대규모 재해(예: 주요 네트워크 링크를 단절시키는 자연재해)가 운영을 저해할 수 있음을 의미한다. 오프라인 배치 처리 모듈이 부분적 완화를 제공한다.
  • 한계 4: 확률 매개변수 거버넌스 계층 선택 확률 분포는 운영자가 구성 가능하여 매개변수 설정 프로세스 및 업데이트 절차에 대한 거버넌스 문제를 제기한다.

향후 연구 방향:

  • BIVM에 대한 공식 암호학적 보안 증명
  • 현실적 네트워크 위상에 걸친 대규모 시뮬레이션
  • 국가 간 상호 운용성 프로토콜
  • 기존 금융 규제 프레임워크와의 통합
  • 비트랜잭션 분야로의 확장: 전자 의료 기록, 정부 문서 인증
Section 7

7. 결론 (Conclusion)

본 논문에서는 기존 DLT 패러다임에서 근본적으로 벗어나는 데이터 무결성 검증을 위한 확률적 계층 분산(PHLD) 시스템 OpenHash를 제시하였다. 에너지 집약적이거나 경제적으로 복잡한 합의 메커니즘을 통해 신뢰를 구성하는 대신, OpenHash는 기존 통신 네트워크의 5계층 물리적 행정 위계를 1차 신뢰 기반으로 취급한다.

✅ PoW 완전 제거

작업증명 메커니즘 없이 데이터 무결성 보장.

✅ 긴급 합의 최소화

비잔틴 합의를 희귀한 긴급 시나리오(<0.01%)로 제한.

✅ 5 ms 미만 E2E 지연

단대단 트랜잭션 지연 5 ms 미만 달성.

✅ 4,399+ TPS

단일 노드 4,399 TPS, 국가 규모 수천만 TPS 선형 확장.

✅ 99%+ 대역폭 절감

Merkle 트리 집계로 계층 간 동기화 대역폭 99% 이상 절감.

OpenHash의 설계는 기술을 넘어서는 함의를 갖는다. 분산 신뢰를 기존 물리적·제도적 구조와 정렬시킴으로써, 동시에 에너지 지속 가능하고, 고성능이며, 투명하고, 규제 책임과 양립 가능한 국가 규모 데이터 무결성 인프라를 향한 경로를 제시한다. 우리는 이 패러다임—신뢰 기반으로서의 물리적 위계—이 분산 데이터 무결성 시스템 연구에서 생산적인 새로운 방향을 열어준다고 믿는다.

References

참고문헌

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📄 문서 정보 (Document Information)

파일명
OpenHash_SCI_Paper_Draft.txt → openhash_tech_paper.html
버전
v1.2
최종 수정
2026-03-23
상태
초안 (Draft — 전용 인스턴스 실측값 반영)
대상 저널
[투고 저널명 기입]
저자
도영민 (Do Young Min)
소속
AI City Inc.
교신저자
tensor.city@gmail.com
투고 예정
March 2026
기반 특허
확률적 계층 분산 기반 데이터 무결성 검증 시스템 및 그 운영 방법 (출원번호: 10-2025-0183149, 10-2026-0018910)
버전날짜수정 내용
v1.02026-03-23초고 작성 (도영민, K-OpenLaw 연구그룹)
v1.12026-03-235절 전면 개정 — AWS 공유 환경 실험 5종 결과 반영 (EXP1 단일노드, EXP2 2노드, EXP3 4노드+Merkle, EXP4 2계층 L1×4→L2×1, EXP5 LPBFT 3단계 합의)
v1.22026-03-235절 수치 확정 — AWS 전용 인스턴스 실측값으로 전면 갱신 (EXP-D1 단일노드TPS/지연, EXP-D2 스레드 선형성, EXP-D3 프로세스 선형성, EXP-D4 계층간검증/LPBFT/Merkle). 환경: c5.2xlarge, Intel Xeon 8275CL @ 3.00GHz, 8 vCPU