[논문 리뷰] A Fair and Resilient Decentralized Clock Network for Transaction Ordering

Andrei Constantinescu, Diana Ghinea외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 09.

Distributed systems and fault tolerance인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중앙집중화되지 않은 비잔틴 장애에 강건한 합의 프로토콜인 분산 시계 네트워크(Decentralized Clock Network, DCN)를 제안한다. 이는 중앙값 기반 합의를 통해 거래에 공정한 타임스탬프를 할당하여 프론트런닝에 저항하는 공정한 순서를 보장한다. 동기 조건에서는 ⌈f/2⌉-Median Fairness를 달성하고, 이방 조건에서는 f-Median Fairness를 달성하여 최적의 공정성 보장을 제공한다. 블록체인 합의와 타임스탬프 할당을 분리함으로써 지연 시간을 줄이고 설계를 단순화한다.

ABSTRACT

Traditional blockchain design gives miners or validators full control over transaction ordering, i.e., they can freely choose which transactions to include or exclude, as well as in which order. While not an issue initially, the emergence of decentralized finance has introduced new transaction order dependencies allowing parties in control of the ordering to make a profit by front-running others' transactions. In this work, we present the Decentralized Clock Network, a new approach for achieving fair transaction ordering. Users submit their transactions to the network's clocks, which run an agreement protocol that provides each transaction with a timestamp of receipt which is then used to define the transactions' order. By separating agreement from ordering, our protocol is efficient and has a simpler design compared to other available solutions. Moreover, our protocol brings to the blockchain world the paradigm of asynchronous fallback, where the algorithm operates with stronger fairness guarantees during periods of synchronous use, switching to an asynchronous mode only during times of increased network delay.

연구 동기 및 목표

• 암호화폐 금융(DeFi)에서 마이너나 검증자가 거래 순서를 조작하여 이득을 보는 프론트런닝 문제를 해결하기 위해.
• 블록체인 합의를 순서 결정에 의존하지 않고도 분산형이며 비잔틴에 강건한 공정한 거래 순서 보장을 보장하는 시스템을 설계하기 위해.
• 동기 및 이방 조건에서 강력한 공정성 보장을 제공하고, 새로운 패기 메커니즘을 포함하기 위해.
• 타임스탬프 할당을 거래 순서 결정에서 분리하여 합의 복잡성을 줄이고 시스템 효율성을 향상시키기 위해.
• 거래 내용이 암호적으로 합의된 타임스탬프가 확정된 이후에야 노출되도록 보장하여 관용적 프론트런닝을 방지하기 위해.

제안 방법

• DCN는 n개의 노드로 구성된 네트워크로, f < n/3 범위의 비잔틴 장애에 내성을 지닌다. 이는 새로운 비잔틴 합의 프로토콜을 통해 각 거래에 대한 타임스탬프에 합의한다.
• 타임스탬프는 정직한 노드들의 수신 시간 중앙값 기반으로 계산되며, 진정한 중앙값에 가까운 정도를 정량화하기 위해 δ-오차 매개변수를 사용한다.
• 기본적으로 이방 모델에서 작동하지만, 네트워크 조건이 동기화되면 공정성 보장을 향상시킨다.
• 암호 기반 원리를 통해 타임스탬프 합의가 이루어지기 이전에는 거래 내용이 노드에 노출되지 않도록 보장하여 사전 조작을 방지한다.
• 시스템은 타임스탬프 할당과 블록체인 합의를 분리한다: 검증자는 DCN 타임스탬프를 사용해 거래를 순서대로 정렬하며, 원래 블록체인의 합의 메커니즘을 유지한다.
• 프로토콜은 새로운 공정성 메트릭인 δ-Median Fairness를 도입하여, 합의된 타임스탬프가 정직한 수신 시간 중앙값과 얼마나 가까운지를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인 합의를 순서 결정에 의존하지 않고도 동기 및 이방 네트워크 조건에서 분산 시스템이 공정한 거래 순서를 달성할 수 있는가?
• RQ2 네트워크 지연이 예측 불가능할 경우 어떤 공정성 보장을 달성할 수 있으며, 이는 기존 모델과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 낮은 지연 시간과 비잔틴 내성과 함께 프론트런닝 공격을 방지할 수 있는 시스템은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ4 비잔틴 노드에 의한 조작에 강건한 중앙값 기반 타임스탬프 할당 프로토콜을 어떻게 만들 수 있는가?
• RQ5 이방 및 동기 설정에서 달성 가능한 최적의 공정성 한계는 무엇이며, 이는 효율성을 훼손하지 않고 달성 가능한가?

주요 결과

• DCN는 동기 네트워크 조건에서 ⌈f/2⌉-Median Fairness를 달성하며, 이는 최적이며 이전의 공정성 모델보다 강력하다.
• 이방 조건에서는 f-Median Fairness를 보장하며, 이러한 설정에서 알려진 최고의 한계와 일치하고, 최악의 경우 정직한 범위 공정성(Honest-Range Fairness)과 일치한다.
• 프로토콜은 f < n/3 범위의 비잔틴 장애에 내성적이며, 모든 정직한 노드가 정직한 수신 시간 중앙값에 가까운 타임스탬프에 합의한다.
• 거래 내용이 타임스탬프 합의가 이루어지기 전까지는 숨겨져 있어 사전 프론트런닝 공격을 방지한다.
• 합의에서 타임스탬프 할당을 분리함으로써 시스템 복잡성을 줄이고, 더 낮은 지연 시간의 거래 순서 결정을 가능하게 한다.
• 기존 허가된 블록체인과 호환되며, 검열 저항력이나 합의 계층의 탈중앙화 수준을 저하시키지 않고 통합될 수 있다.