[논문 리뷰] A Scale-out Blockchain for Value Transfer with Spontaneous Sharding

Zhijie Ren, Cong, Kelong외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 08.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 12인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 가치 이양을 위한 확장 가능한 블록체인을 제안하며, 외부에서 거래 기록을 활용하고 현지에서 실행 가능한 검증을 통해 탈중앙화성이나 보안성을 희생시키지 않고도 자발적 샤딩을 달성한다. 노드는 이중 지출에 저항하는 데 필요한 최소한의 증거만 저장하고 전송하며, 이성적인 행동에 기반해 동적으로 샤드를 형성하여 통신 비용을 선형 이하로 줄이고 확장 가능한 처리량을 달성한다.

ABSTRACT

Bitcoin, as well as many of its successors, require the whole transaction record to be reliably acquired by all nodes to prevent double-spending. Recently, many blockchains have been proposed to achieve scale-out throughput by letting nodes only acquire a fraction of the whole transaction set. However, these schemes, e.g., sharding and off-chain techniques, suffer from a degradation in decentralization or the capacity of fault tolerance. In this paper, we show that the complete set of transactions is not a necessity for the prevention of double-spending if the properties of value transfers is fully explored. In other words, we show that a value-transfer ledger like Bitcoin has the potential to scale-out by its nature without sacrificing security or decentralization. Firstly, we give a formal definition for the value-transfer ledger and its distinct features from a generic database. Then, we introduce an off-chain based scheme with a shared main chain for consensus and an individual chain for each node for recording transactions. A locally executable validation scheme is proposed with uncompromising validity and consistency. A beneficial consequence of our design is that nodes will spontaneously try to reduce their transmission cost by only providing the transactions needed to show that their transactions are double-spending-proof. As a result, the network is sharded as each node only acquires part of the transaction record and a scale-out throughput could be achieved, which we call "spontaneous sharding".

연구 동기 및 목표

• 모든 노드가 전체 거래 세트를 저장하고 검증해야 하는 전통적인 블록체인의 확장성 한계를 해결하기 위해.
• 강력한 보안 보장을 유지하면서도 확장 가능한 처리량을 달성하기 위해.
• 일般 목적 블록체인과 구별되는 가치 이양 장부(VTL) 모델을 정식화하기 위해.
• 노드가 증거 기반 검증을 통해 전송 비용을 최소화함으로써 자발적 샤딩을 형성하는 시스템을 설계하기 위해.
• 자발적 샤딩이 검증자나 중앙 기관을 도입하지 않고도 달성될 수 있는지 입증하기 위해.

제안 방법

• 공동으로 사용하는 주 체인(consensus)과 각 노드의 개별 로컬 체인(transaction recording)을 갖는 이중 체인 아키텍처를 도입한다.
• 각 노드가 이중 지출에 저항하기 위해 필요한 최소한의 증거만을 기반으로 거래를 검증하는 현지에서 실행 가능한 검증 체계를 적용한다.
• 이성적인 노드 행동에 기반해 자발적 샤딩을 이끌어내며, 노드는 통신 비용을 줄이기 위해 필수적인 증거만 전송하도록 최적화한다.
• Netty와 Tendermint를 사용한 개념 증명 시뮬레이션을 통해 연결성(c)과 노드 수(N=10에서 25)가 다양한 조건에서 네트워크 동작을 평가한다.
• 증거 가용성을 기반으로 최적의 소스를 통해 거래를 라우팅하는 단순한 스마트 거래 알고리즘을 적용한다.
• 거래 유효성은 전역 거래 세트 접근이 아닌 유효한 증거 체인의 존재 여부에 의해 결정되는 증거 기반 프레임워크를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가치 이양 블록체인이 탈중앙화성이나 보안성을 희생시키지 않고 확장 가능한가?
• RQ2 모든 노드가 전체 거래 세트를 저장하지 않아도 이중 지출을 방지할 수 있는가?
• RQ3 탈중앙화된 시스템에서 이성적인 노드 행동에 기반해 자발적 샤딩이 자연스럽게 발생할 수 있는가?
• RQ4 증거 기반 검증 모델 하에서 통신 비용은 네트워크 크기에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 자발적 샤딩이 실패하는 조건는 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 노드 연결성(c)이 낮을 경우 자발적 샤딩이 발생하며, 이때 g < N가 되며, g는 노드당 평균적으로 확보하는 체인 수이다.
• N=10,15,20,25인 경우, 자발적 샤딩은 각각 c < 3,4,4,6일 때 달성되며, 이들 임계값을 초과하면 모든 노드가 모든 체인을 확보하게 되어 확장성의 이점이 상실된다.
• 시스템은 손상되지 않은 합의 및 유효성 조건을 유지하여 모든 정직한 노드가 거래 유효성에 대해 동일하게 합의한다.
• 낮은 연결성 조건 하에서 통신 비용은 네트워크 크기에 대해 선형 이하로 증가하여 진정으로 확장 가능한 처리량을 달성한다.
• 시뮬레이션에서 사용된 단순한 거래 알고리즘은 최적화 잠재력을 완전히 활용하지 못하므로, 향후 개선을 통해 더 높은 c에서도 g를 더욱 낮출 수 있을 것으로 보인다.
• 시스템은 스토리지 효율성을 위한 체크포인트 및 저지연 시간 지불을 위한 프라이빗 채널과 같은 향후 확장 기능을 핵심 설계를 변경하지 않고도 지원할 수 있다.