[논문 리뷰] Algorand

Bezerra, João Paulo, Anikina, Veronika외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 05.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 7

한 줄 요약

알고랜드는 증거의 작업을 필요로 하지 않도록 검증자의 선택에 알고리즘적 난수를 활용하여 높은 효율성과 강력한 일致성을 달성하는 비잔티노스 합의 기반 공개 장부 프로토콜을 제안한다. 이는 10^18 분의 1 이하의 분할 확률을 보장하여 계산 자원 소비가 최소한인 확장 가능하고 민주적이며 안전한 블록체인 대안을 제공한다.

ABSTRACT

A public ledger is a tamperproof sequence of data that can be read and augmented by everyone. Public ledgers have innumerable and compelling uses. They can secure, in plain sight, all kinds of transactions ---such as titles, sales, and payments--- in the exact order in which they occur. Public ledgers not only curb corruption, but also enable very sophisticated applications ---such as cryptocurrencies and smart contracts. They stand to revolutionize the way a democratic society operates. As currently implemented, however, they scale poorly and cannot achieve their potential. Algorand is a truly democratic and efficient way to implement a public ledger. Unlike prior implementations based on proof of work, it requires a negligible amount of computation, and generates a transaction history that will not "fork" with overwhelmingly high probability. Algorand is based on (a novel and super fast) message-passing Byzantine agreement. For concreteness, we shall describe Algorand only as a money platform.

연구 동기 및 목표

• 증거의 작업 시스템이 유발하는 계산 자원 낭비와 중심화 위험을 피하면서도 높은 효율성과 암호학적 보안을 동시에 확보하는 공개 장부 시스템을 설계하는 것.
• 분할 가능성이 극히 낮은(예: 10^18 분의 1) 훼손 방지 및 일致성 있는 거래 이력 확보.
• 채굴자와 같은 계층적 역할 없이 모든 사용자가 블록 검증에 동일한 영향력을 행사함으로써 합의 과정에서 진정된 민주성을 확보하는 것.
• 고처리량과 저지연을 요구하는 애플리케이션을 위해 기존 블록체인 아키텍처에 대한 확장 가능하고 실용적인 대안을 제공하는 것.
• 검증 가능성, 공정성, 조작에 대한 저항성을 확보하여 법적 및 정치적 우려를 해결하는 것.

제안 방법

• 다음 블록에 대한 합의를 도출하기 위해 혁신적이고 초고속의 메시지 전달 비잔티노스 합의 프로토콜을 사용한다.
• 모든 사용자 중에서 확률적으로 검증자를 선정하기 위해 알고리즘적 난수를 활용하여, 마지막 순간까지 예측 불가능성과 조작에 대한 저항성을 확보한다.
• 현재 장부 상태를 기반으로 검증자를 선정함으로써 공정성과 암호학적 보안을 동시에 보장한다.
• 각 라운드는 검증자가 다음 블록에 투표하는 다중 단계를 포함하며, tH 개 이상의 서명이 집계될 때 합의가 도달된다.
• 처리 능력 향상과 지연 감소를 위해 파ip라인 메커니즘을 도입하여 확장성을 향상시킨다.
• 체르노프 한계와 확률적 분석을 사용하여, 네트워크 분할이나 악성 행동 조건 하에서도 분할이 가능성이 극히 낮다는 것을 공식적으로 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비잔티노스 합의를 활용하여 증거의 작업에 의존하지 않고도 높은 효율성과 강력한 일치성을 확보하는 공개 장부를 구축할 수 있는가?
• RQ2 어떻게 하면 선택 과정이 예측 불가능하고 공정하도록 검증자를 선정할 수 있는가? 이는 어떤 사용자나 그룹이 선택 과정을 조작할 수 없도록 보장해야 한다.
• RQ3 악성 네트워크 조건 하에서 장부 분할의 최대 확률은 얼마이며, 이를 극히 낮게 유지할 수 있는가(예: 10^-18)?
• RQ4 탈중앙화를 희생시키지 않고도 탈중앙화 시스템이 신뢰할 수 있는 중심 기관의 보안성과 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 네트워크 분할 상황에서 프로토콜는 어떻게 행동하는가? 지속적인 분할이나 모호한 상태를 방지할 수 있는가?

주요 결과

• 알고랜드 프로토콜는 장부 분할 가능성이 10^18 분의 1 이하임을 보장하여, 일반 조건 하에서는 사실상 불가능하다.
• 프로토콜는 극히 낮은 계산 자원 소비로 합의를 도달하여 비트코인과 같은 증거의 작업 시스템이 유발하는 에너지 낭비를 제거한다.
• 모든 사용자가 합의 과정에서 동일한 영향력을 행사하며, 어떤 사용자나 그룹도 비례를 초월한 권력을 확보할 수 없어 진정된 탈중앙화를 보장한다.
• 악성 네트워크 분할 조건 하에서도 분할은 일시적이며 단일 라운드 내에 해결되며, 최대 하나의 브랜치만 충분한 서명을 확보해 성장할 수 있다.
• 체르노프 한계를 사용한 공식적인 확률적 분석을 통해, 각 단계에서 정직한 검증자와 악성 검증자의 합계가 동시에 두 개의 경쟁 블록을 인증하는 데 필요한 임계값 이하로 유지됨을 확인하였다.
• 악성 당사자가 네트워크의 상당 부분을 제어하더라도 장기간의 네트워크 분할을 유지할 수 없는 한, 프로토콜는 보안성과 일치성을 유지한다.