[논문 리뷰] ALGORAND: The Efficient and Democratic Ledger.

Silvio Micali|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 05.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 82

한 줄 요약

알고랜드는 작업량 증명을 대체하여 암호학적으로 안전하고 검증 가능한 무작위성 기반의 리더 선정 메커니즘을 도입함으로써, 최소한의 계산으로 높은 처리량과 최종성(결정성)을 달성하는 허가 없는 분산원장 프로토콜을 제안한다. 이는 분할 없이 거래의 최종성을 보장하며, 결제 및 스마트 컨트랙트와 같은 효율적이고 확장 가능한 블록체인 애플리케이션을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Algorand is a truly decentralized, new, and secure way to manage a shared ledger. Unlike prior approaches based on {\em proof of work}, it requires a negligible amount of computation, and generates a transaction history that does not fork with overwhelmingly high probability. This approach cryptographically selects ---in a way that is provably immune from manipulations, unpredictable until the last minute, but ultimately universally clear--- a set of verifiers in charge of constructing a block of valid transactions. This approach applies to any way of implementing a shared ledger via a tamper-proof sequence of blocks, including traditional blockchains. This paper also presents more efficient alternatives to blockchains, which may be of independent interest. Algorand significantly enhances all applications based on a public ledger: payments, smart contracts, stock settlement, etc. But, for concreteness, we shall describe it only as a money platform.

연구 동기 및 목표

• 에너지 소모가 심한 작업량 증명에 의존하지 않으면서도 강력한 보안성과 최종성을 유지하는 분산원장 프로토콜을 설계하는 것.
• 기존의 허가 없는 블록체인에서 발생하는 분할 문제와 최종성의 불확실성 문제를 해결하는 것.
• 실생활 애플리케이션인 결제 및 스마트 컨트랙트와 같은 분야에 적합한 확장성 있고 효율적이며 민주적인 합의 메커니즘을 제공하는 것.
• 계산 능력에 의존하지 않고도 입증 가능하고 예측 불가능한 방법으로 블록 제안자를 선정하는 보안성이 입증된 방법을 제공하는 것.

제안 방법

• 예측 불가능하지만 보편적으로 검증 가능한 방식으로, 암호학적 기법을 사용해 무작위성 기반의 검증자 집합을 선택하는 검증 가능한 무작위 함수(VRF)를 활용한다.
• 선택된 검증자들이 블록을 합의하는 두 단계 프로토콜을 적용하여 조작을 방지하고 최종성을 보장한다.
• 선택 과정이 악성 공격자에 의해 조작되거나 예측될 수 없도록 암호학적 기법을 기반으로 한다.
• 악성 조건 하에서도 분할이 발생할 가능성이 극히 낮은 최종성 메커니즘을 도입한다.
• 네트워크 규모에 비례해 효율적으로 확장되며, 통신 및 계산 오버헤드를 최소화하는 프로토콜을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허가 없는 블록체인에서 작업량 증명이나 장거리 공격에 의존하지 않고도 최종성을 달성할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 검증 가능한 무작위 함수를 사용해 블록 제안자를 선정할 수 있는가? 이 방식은 예측 불가능하고 조작에 강건한가?
• RQ3 허가 없는 블록체인 환경에서 합의 및 최종성을 달성하기 위해 필요한 최소한의 계산 비용은 얼마인가?
• RQ4 어떻게 하면 악성 행동에 대비해 보안성이 확보되고 동시에 확장 가능한 블록체인 프로토콜을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토콜은 분할 없이 매우 높은 확률로 거래 최종성을 달성하여 강력한 일致성(일致성)을 보장한다.
• 작업량 증명 대비 거의 무시할 수 없는 계산량을 요구하여 에너지 소비를 크게 줄인다.
• 검증 가능한 무작위 함수의 사용으로 블록 제안자가 예측 불가능하고 암호학적으로 안전한 방식으로 선정된다.
• 고처리량과 저지연 시간을 유지하여 실시간 애플리케이션인 결제 및 스마트 컨트랙트에 적합하다.