[논문 리뷰] A Pub-Sub Architecture to Promote Blockchain Interoperability

Sara Ghaemi, Sara Rouhani외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 29.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 23인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 이질적인 권한 있는 블록체인 간의 상호운용성을 가능하게 하기 위해 브로커 블록체인 기반의 게시/구독 아키텍처를 제안한다. 이는 기존 시스템에 최소한의 변경을 가하여 게시자와 수신자가 데이터를 교환할 수 있도록 한다. 프로토타입은 Hyperledger Fabric 기반으로 구축되었으며, Hyperledger Besu 및 Fabric과 함께 테스트되어 초당 수백 건의 트랜잭션을 달성했으며, PublishToTopic가 주요 성능 저하 요인임을 확인했다.

ABSTRACT

The maturing of blockchain technology leads to heterogeneity, where multiple solutions specialize in a particular use case. While the development of different blockchain networks shows great potential for blockchains, the isolated networks have led to data and asset silos, limiting the applications of this technology. Blockchain interoperability solutions are essential to enable distributed ledgers to reach their full potential. Such solutions allow blockchains to support asset and data transfer, resulting in the development of innovative applications. This paper proposes a novel blockchain interoperability solution for permissioned blockchains based on the publish/subscribe architecture. We implemented a prototype of this platform to show the feasibility of our design. We evaluate our solution by implementing examples of the different publisher and subscriber networks, such as Hyperledger Besu, which is an Ethereum client, and two different versions of Hyperledger Fabric. We present a performance analysis of the whole network that indicates its limits and bottlenecks. Finally, we discuss the extensibility and scalability of the platform in different scenarios. Our evaluation shows that our system can handle a throughput in the order of the hundreds of transactions per second.

연구 동기 및 목표

• 고립된, 이질적인 권한 있는 블록체인 네트워크로 인한 블록체인 상호운용성 문제를 해결하기 위해.
• 기존 시스템에 큰 변경 없이도 블록체인 간의 원활한 데이터 및 자산 이동을 가능하게 하기 위해.
• 신뢰할 수 있는 중개자로서 브로커 블록체인을 사용하여 탈중앙화되고 확장 가능하며 확장 가능한 상호운용 솔루션을 설계하기 위해.
• 실제 환경에서 제안된 아키텍처의 성능과 확장성을 평가하기 위해.
• 성능 저하 요인을 규명하고 액세스 제어 및 데이터 프라이버시를 향상시키기 위한 향후 개선 방안을 제안하기 위해.

제안 방법

• 게시자와 수신자 간의 데이터 공유를 위한 주제를 유지하는 탈중앙화된 중개자로 브로커 블록체인을 도입한다.
• 게시자(원천 블록체인)는 주제를 생성하고 브로커에 업데이트를 게시하며, 수신자(대상 블록체인)는 특정 주제에 관심을 등록한다.
• 시스템은 브로커 블록체인 상의 스마트 컨트랙트를 사용하여 주제 생명주기, 구독 및 메시지 전달을 관리한다.
• 프로토타입은 브로커로 사용되는 Hyperledger Fabric 2.2를 기반으로 구현되었으며, 게시자 및 수신자 네트워크로는 Hyperledger Besu와 두 가지 버전의 Hyperledger Fabric을 사용했다.
• 부하 조건을 다양하게 설정한 상황에서 처리량, 지연 시간, 트랜잭션 성공률을 측정하기 위해 벤치마킹 도구를 사용하여 성능 평가를 수행했다.
• 사설 채널을 통해 확장성과 분산형 액세스 제어 메커니즘과의 통합 가능성을 통해 아키텍처의 확장성을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화되고 확장 가능하며 경량화된 게시/구독 아키텍처는 어떻게 이질적인 권한 있는 블록체인 간의 상호운용성을 가능하게 하는가?
• RQ2 브로커 블록체인이 크로스체인 데이터 게시 및 구독을 처리할 수 있는 성능의 한계는 어디에 있는가?
• RQ3 부하가 증가함에 따라 브로커 네트워크의 어떤 구성 요소가 주요 성능 저하 요인으로 작용하는가?
• RQ4 시스템은 얼마나 많은 블록체인과 수신자가 참여하는 데까지 지원할 수 있는가?
• RQ5 탈중앙화를 해치지 않으면서 액세스 제어와 데이터 프라이버시를 게시/구독 모델에 어떻게 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 브로커 블록체인 프로토타입은 초당 수백 건의 트랜잭션을 달성하여 제안된 아키텍처의 실현 가능성을 입증했다.
• PublishToTopic가 주요 성능 저하 요인으로 규명되었으며, 70 TPS 이상의 송신 속도에서 처리량 저하와 지연 시간 증가가 관찰되었다.
• 120 TPS의 송신 속도에서 처리량이 급격히 감소하고 지연 시간이 증가함으로써 현재 설정의 하드웨어 한계가 확인되었다.
• 120 TPS 이상의 송신 속도에서 트랜잭션 성공률이 100% 이하로 떨어지며 브로커 네트워크가 운영 한계에 도달했음을 확인했다.
• 시스템은 매우 높은 확장성을 지녔으며, Hyperledger Fabric의 확장성 특성을 활용해 브로커 네트워크에 최소 100명의 피어를 지원할 수 있다.
• 향후 개선 사항으로 사설 채널 및 분산형 액세스 제어 기법을 도입하면 데이터 프라이버시와 세밀한 액세스 관리가 향상될 수 있다.