[논문 리뷰] ABC: Proof-of-Stake without Consensus

Jakub Śliwiński, Roger Wattenhofer|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 24.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 11인용 수 8

한 줄 요약

ABC는 작업량 증명과 합의를 대체하는 결정적이고 증명 기반 스테이크 메커니즘을 사용하는 허가되지 않은 비동기 블록체인 프로토콜을 소개한다. 이로 인해 즉각적인 최종성과 병렬 거래 처리가 가능해진다. 전체 합의를 완화하여 암호화폐 기능의 기본 기능만 지원함으로써, ABC는 무작위성이나 동기 통신에 의존하지 않으면서도 높은 효율성, 최종성, 내성성을 달성한다.

ABSTRACT

We introduce a new permissionless blockchain architecture called ABC. ABC is completely asynchronous, and does rely on neither randomness nor proof-of-work. ABC can be parallelized, and transactions have finality within one round trip of communication. However, ABC satisfies only a relaxed form of consensus by introducing a weaker termination property. Without full consensus, ABC cannot support certain applications, in particular ABC cannot support general smart contracts. However, many important applications do not need general smart contracts, and ABC is a better solution for these applications. In particular, ABC can implement the functionality of a cryptocurrency like Bitcoin, replacing Bitcoin's energy-hungry proof-of-work with a proof-of-stake validation.

연구 동기 및 목표

• 작업량 증명과 전체 합의 없이도 암호화폐 사용 사례에 대해 보안과 최종성을 유지하는 블록체인 시스템을 설계하는 것.
• 무작위성, 동기 통신, 에너지 집약적인 마이닝에 의존하지 않고도 허가되지 않은 참가를 가능하게 하는 것.
• 단일 왕복 통신 라운드 내에서 결정적이고 검증 가능한 결과를 얻어 거래 최종성을 달성하는 것.
• 비동기 네트워크 환경에서 확장 가능하고 병렬적인 거래 처리를 지원하는 것.
• 일般적인 스마트 컨트랙트가 필요하지 않은 애플리케이션을 위해 기존의 증명 기반 스테이크 및 합의 기반 블록체인보다 더 단순하고 효율적인 대안을 제공하는 것.

제안 방법

• 검증자는 자산 보유량에 따라 선택되는 증명 기반 스테이크 메커니즘을 사용하며, 이로 인해 2/3 이상이 정직할 경우 보안이 확보된다.
• 프로토콜은 비동기 네트워크 모델에서 작동하여 메시지 지연, 네트워크 분할, 이클립스 공격 등에 강건하다.
• 검증자는 거래를 병렬로 처리하며, 이 병렬성 덕분에 처리량에 본질적인 제한이 없다.
• 거래가 블록에 포함되고 초과 다수의 검증자가 검증한 직후 즉각적인 최종성이 달성되며, 시간이 지남에 따라 확률적 신뢰도가 증가하지 않는다.
• 디지털 서명과 해시 함수와 같은 암호 기반 원리를 사용해 진위성과 무결성을 보장하며, 프로토콜은 완전히 결정적이다.
• 위임 기능이 지원되어 자산 보유자는 자신의 토큰 소유권을 유지하면서도 검증 책임을 다른 이에게 위임할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 작업량 증명이나 전체 합의 없이도 블록체인 시스템이 최종성과 보안을 달성할 수 있는가?
• RQ2 무작위성이나 동기 가정에 의존하지 않고도 완전히 비동기 환경에서 작동하는 허가되지 않은 블록체인을 설계할 수 있는가?
• RQ3 블록체인 시스템에서 거래 처리를 완전히 병렬화하면서도 일관성과 최종성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 일반적인 스마트 컨트랙트가 필요하지 않은 블록체인의 최소 요구 사항은 무엇인가?
• RQ5 합의를 완화하면 블록체인 시스템의 보안, 효율성, 적용 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ABC는 단일 왕복 통신 라운드 내에서 거래 최종성을 달성하여 비트코인의 확률적 확인 모델을 제거한다.
• 네트워크가 메시지를 최종적으로 전달하는 한, 프로토콜은 완전히 비동기적이며 메시지 지연과 이클립스 공격 등의 네트워크 수준 공격에 강건하다.
• ABC는 병렬 거래 처리를 지원하여 순차적 검증에서 발생하는 본질적 병목 현상 없이도 고처리량을 달성할 수 있다.
• 시스템은 결정적이며 리더 선택이나 블록 생성 시 무작위성을 사용하지 않아 구현과 검증을 단순화한다.
• 보안은 총 스테이크의 2/3 이상이 정직한 참가자에 의해 보유된다는 가정 하에 유지되며, 이는 다른 증명 기반 스테이크 프로토콜과 유사하다.
• ABC는 일반적인 스마트 컨트랙트를 지원하지 않지만, 지급 및 송금과 같은 기본적인 암호화폐 기능에는 매우 적합하다.