[논문 리뷰] A New Hybrid Consensus Protocol: Deterministic Proof Of Work

Zhuan Cheng, Gang Wu외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 13.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 지ap-리듀스 작업 기반의 작업 증명(PoW) 마이닝 알고리즘과 실용적인 바쿠라스티안 결함 저항성(PBFT) 검증을 결합한 하이브리드 블록체인 합의 프로토콜인 결정론적 작업 증명(DPoW)을 제안한다. PoW 계산을 노드 간에 분할하고 PBFT를 통해 결정론적 최종성을 확보함으로써, 탈중앙화성을 희생하지 않으면서도 고스케일성과 강력한 일致성을 달성하며, 거의 즉각적인 거래 최종성과 51% 공격 및 이중 지출 공격에 대한 저항력을 제공한다.

ABSTRACT

The Decentralized-Consistent-Scale (DCS) Triangle defines three dimensions that illustrate the tradeoffs of the blockchain consensus mechanism. In this paper, we propose a new hybrid consensus protocol, called Deterministic Proof of Work (DPoW), which can reach high levels of scalability and consistency without significant reduction to decentralization. Our protocol introduces a Map-reduce PoW mining algorithm to perform alongside Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) verification, which together allow for transactions to be confirmed immediately, largely improving scalability. In addition, the protocol is designed such that forking cannot occur, ensuring strong consistency and security against a multitude of attacks. The Map-reduce PoW mining process ensures that no single entity can control the network, guaranteeing decentralization. We analyzed the security of our protocol by evaluating the possibility of double spending attacks, and furthermore, conducted experiments which demonstrate our claims.

연구 동기 및 목표

• 블록체인 합의 메커니즘에서의 확장성-탈중앙화-일致성(DCS) 삼각 관계의 상충 문제를 해결하기 위해.
• 순수한 PoW의 한계(낮은 처리량, 에너지 낭비)와 PBFT의 한계(확장성 문제, 탈중앙화 감소)를 극복하기 위해.
• 빠르고 결정론적 최종성을 보장하면서도 강력한 보안성과 탈중앙화성을 유지하는 하이브리드 프로토콜을 설계하기 위해.
• 분할된 분산 마이닝을 통해 PoW의 에너지 소비와 중복 계산을 줄이기 위해.

제안 방법

• PoW 검색 공간을 샤딩하여 각 샤딩을 다른 마이너에게 할당함으로써 중복 계산을 제거하는 지ap-리듀스 PoW 알고리즘을 제안한다.
• 이중 단계 합의 프로세스를 도입한다: (1) 분산된 PoW 마이닝을 통한 샤딩된 계산, (2) 선출된 검증자 그룹에 의한 PBFT 기반 검증.
• PBFT의 1/3 장애 내성 임계값을 활용하여, 검증자 중 1/3 미만이 고장 났더라도 합의가 유지됨을 보장한다.
• 결정론적 최종성 사용: PBFT 그룹에 의해 블록이 검증되면 영구적으로 고정되며, 분할과 같은 문제를 방지하고 즉각적인 최종성을 가능하게 한다.
• 공동 계약 방지를 향상시키기 위해 명성 점수와 무작위 시드를 활용해 검증자 선출 메커니즘을 설계한다.
• 네트워크 오버헤드를 줄이기 위해 IBLT와 블룸 필터를 활용해 효율적인 블록 브로드캐스트를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 합의 프로토콜이 확장성, 강력한 일치성, 높은 탈중앙화성을 동시에 달성할 수 있는가? 이는 DCS 삼각 관계의 상충 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 지ap-리듀스 방식으로 PoW 계산을 샤딩함으로써 에너지 소비와 계산 시간을 크게 줄일 수 있는가? 이는 보안성을 훼손하지 않는가?
• RQ3 고처리량 블록체인 시스템에서 PBFT 검증이 결정론적 최종성과 분할 방지를 얼마나 잘 보장할 수 있는가?
• RQ4 제안된 프로토콜 하에서 PBFT 검증 계층에서 악성 검증자가 합의를 붕괴시킬 수 있는 임계치는 어느 정도인가?
• RQ5 전통적인 PoW 및 PBFT 시스템과 비교해, 이 프로토콜은 이중 지출 공격과 51% 공격에 대해 얼마나 잘 저항하는가?

주요 결과

• 프로토콜은 결정론적 최종성을 달성한다: PBFT 그룹에 의해 블록이 검증되면 영구적으로 고정되며, 분할을 제거하고 즉각적인 거래 최종성을 가능하게 한다.
• 검증자 중 1/3 미만이 악성일 경우, PBFT 그룹은 모든 블록을 정확히 검증하여 일致성과 보안성을 확보한다.
• 검증자 중 2/3 초과가 악성일 경우, 그들은 악성 블록을 위조로 검증하도록 공모할 수 있으며, 이는 이론적으로 2/3 공격 임계값을 확인하는 데 기여한다.
• 실험 결과, 악성 검증자 비율이 1/3 이하인 그룹은 모든 블록을 정확히 검증했고, 2/3 초과인 그룹은 지속적으로 악성 블록을 수락했다.
• 지ap-리듀스 PoW 알고리즘은 계산을 분산시킴으로써 블록당 PoW 해결 시간을 크게 단축시켜 확장성 향상과 에너지 낭비 감소에 기여한다.
• 프로토콜은 51% 공격에 저항하며, 실제 공격 임계치를 66.6%로 높여 전통적인 PoW 및 PBFT 시스템을 초월한 보안성을 확보한다.