[논문 리뷰] A Survey on Consortium Blockchain Consensus Mechanisms

Wei Yao, Junyi Ye외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 24.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 51인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 연합 블록체인에서의 합의 기법을 조사하며, PBFT와 HotStuff와 같은 프로토콜의 장애 내성, 확장성, 성능을 분석한다. 운영 메커니즘을 비교하여 PBFT의 제곱형 복잡도와 HotStuff의 선형 복잡도를 강조하며, 기업용 블록체인 구현을 위한 상충 관계에 대한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Blockchain is a distributed ledger that is decentralized, immutable, and transparent, which maintains a continuously growing list of transaction records ordered into blocks. As the core of blockchain, the consensus algorithm is an agreement to validate the correctness of blockchain transactions. For example, Bitcoin is a public blockchain where each node in Bitcoin uses the Proof of Work (PoW) algorithm to reach a consensus by competing to solve a puzzle. Unlike a public blockchain, a consortium blockchain is an enterprise-level blockchain that does not contend with the issues of creating a resource-saving global consensus protocol. This paper highilights several state-of-the art solutions in consensus algorithms for enterprise blockchain. For example, the HyperLedger by Linux Foundation includes implementing Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) as the consensus algorithm. PBFT can tolerate a range of malicious nodes and reach consensus with quadratic complexity. Another consensus algorithm, HotStuff, implemented by Facebook Libra project, has achieved linear complexity of the authenticator. This paper presents the operational mechanisms of these and other consensus protocols, and analyzes and compares their advantages and drawbacks.

연구 동기 및 목표

• 기업 수준의 연합 블록체인에 특화된 최신 합의 알고리즘을 분석하기 위해.
• 합의 프로토콜에서 장애 내성, 성능, 계산 복잡도 간의 상충 관계를 평가하기 위해.
• PBFT와 HotStuff의 운영 메커니즘을 비교하여 확장성과 효율성에 중점을 두기 위해.
• Hyperledger와 Libra와 같은 기업용 블록체인에서의 실용적 구현에 대한 종합적 개요를 제공하기 위해.

제안 방법

• 기업용 블록체인 플랫폼에서 사용되는 합의 알고리즘, 특히 PBFT와 HotStuff를 조사하고 분석하기 위해.
• 비잔티노스 장애 내성(BFT)을 달성하는 데 제곱형 통신 복잡도를 가지는 PBFT의 운영 메커니즘을 검토하기 위해.
• 3단계 투표 과정을 통해 선형 통신 복잡도를 달성하는 리더 기반 프로토콜인 HotStuff를 분석하기 위해.
• 장애 내성, 메시지 복잡도, 성능 특성에 기반해 합의 기법을 비교하기 위해.
• Hyperledger에서 PBFT를 사용하는 것과 페이스북의 Libra에서 HotStuff를 채택한 것과 같은 실제 구현 사례를 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PBFT와 HotStuff는 합의 메커니즘과 통신 복잡도에서 어떻게 다릅니까?
• RQ2 연합 블록체인 합의 프로토콜에서 장애 내성과 계산 효율성 사이의 상충 관계는 무엇입니까?
• RQ3 왜 PBFT는 제곱형 복잡도가 있음에도 불구하고 허가된 환경에서 적합합니까?
• RQ4 HotStuff는 어떻게 선형 복잡도를 달성하며, 이는 PBFT보다 어떤 이점이 있습니까?

주요 결과

• PBFT는 강력한 비잔티노스 장애 내성을 제공하지만 제곱형 통신 복잡도를 유발하여 확장성에 제한을 받는다.
• HotStuff는 통신 복잡도를 선형으로 줄여 대규모 연합 블록체인에 더 뛰어난 확장성을 제공한다.
• PBFT와 HotStuff는 모두 허가된 환경에서 악성 노드를 견딜 수 있다는 점에서 기업용 블록체인에 적합하다.
• PBFT와 HotStuff 사이의 선택은 장애 내성과 시스템 효율성 간의 상충 관계에 따라 달라진다.