[논문 리뷰] An Efficient Framework for Execution of Smart Contracts in Hyperledger Sawtooth

Manaswini Piduguralla, Saheli Chakraborty외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 16.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 시스템에서 스마트 계약 트랜잭션의 순차적 실행으로 인한 확장성 문제를 해결하기 위해, Hyperledger Sawtooth에서 동시적이고 충돌 없는 실행을 가능하게 하는 DAG 기반 병렬 스케줄러와 스마트 검증기 모듈을 제안한다. 실행 이전에 종속성을 정적 분석하고, 트랜잭션 간 관계를 방향성 없는 사이클 그래프(DAG)로 표현함으로써, 이 프레임워크는 트랜잭션 처리량을 크게 향상시키고 검증 시간을 단축시킨다. 벤치마크 테스트에서 순차적 실행 대비 최대 2.5배의 성능 향상을 달성하였다.

ABSTRACT

Blockchain technology is a distributed, decentralized, and immutable ledger system. It is the platform of choice for managing smart contract transactions (SCTs). Smart contracts are self-executing codes of agreement between interested parties commonly implemented using blockchains. A block contains a set of transactions representing changes to the system and a hash of the previous block. The SCTs are executed multiple times during the block production and validation phases across the network. The execution is sequential in most blockchain technologies. In this work, we incorporate a direct acyclic graph (DAG) based parallel scheduler framework for concurrent execution of SCTs. The dependencies among a block's transactions are represented through a concurrent DAG data structure that assists in throughput optimization. We have created a DAG scheduler module that can be incorporated into blockchain platforms for concurrent execution with ease. We have also formally established the safety and liveness properties of the DAG scheduler. For evaluation, our framework is implemented in Hyperledger Sawtooth V1.2.6. The performance across multiple smart contract applications is measured for various scheduler types. Experimental analysis shows that the proposed framework achieves notable performance improvements over the parallel SCT execution frameworks.

연구 동기 및 목표

• 스마트 계약 트랜잭션의 순차적 실행으로 인한 블록체인 시스템의 확장성 한계를 해결하기 위해.
• 블록 생성 및 검증 단계 동안 효율적이고 충돌 없는 동시 스마트 계약 실행을 가능하게 하기 위해.
• 직접 순환 그래프(DAG)를 사용해 트랜잭션 종속성을 사전에 계산하고 검증함으로써 검증 오버헤드를 감소시키기 위해.
• 노드 아키텍처에 병렬 스케줄러 및 스마트 검증기 모듈을 통합하여 Hyperledger Sawtooth의 성능을 향상시키기 위해.
• 마이닝 노드가 제출한 종속성 그래프의 정확성을 검증할 수 있도록 함으로써 정확성과 보안을 확보하기 위해.

제안 방법

• 프레임워크는 실행 이전에 종속성을 정적 분석하여 트랜잭션 종속성을 나타내는 직접 순환 그래프(DAG)를 구성한다.
• DAG는 병렬 스케줄러 모듈에서 생성되어 검증기와 공유되며, 검증 단계에서 종속성을 재계산할 필요가 없도록 한다.
• 스마트 검증기 모듈은 DAG의 정확성을 검증하고, 악성 노드가 정확하지 않은 종속성 그래프를 제출하는 것을 방지한다.
• 시스템은 Hyperledger Sawtooth의 모듈식 아키텍처를 활용하여 스케줄러 및 검증기를 플러그인 방식의 구성 요소로 통합한다.
• DAG 구조는 상호 의존성이 없는 트랜잭션들을 병렬로 실행할 수 있도록 하면서도, 종속성이 있는 트랜잭션들에 대해서는 올바른 순서를 보장한다.
• 실제 스마트 계약 애플리케이션(예: Intkey, Insurance)을 사용하여 Sawtooth v1.2.6에서 성능 평가를 수행하였다.

Figure 2 : Proposed framework in the blockchain

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DAG를 통한 정적 종속성 분석이 블록체인 시스템에서 스마트 계약의 효율적이고 충돌 없는 동시 실행을 가능하게 하는가?
• RQ2 제안된 DAG 기반 스케줄러는 Hyperledger Sawtooth에서 순차적 실행 대비 트랜잭션 처리량을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 스마트 검증기가 사전에 계산된 종속성 그래프를 재사용함으로써 검증 시간을 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 트랜잭션 간 종속성 수준이 다양할 경우, DAG 스케줄러의 안정성과 효율성은 어떠한가?
• RQ5 기존 검증 방법 대비 스마트 검증기의 성능 오버헤드는 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 Hyperledger Sawtooth에서 순차적 실행 대비 최대 2.5배의 트랜잭션 처리량 향상을 달성하였다.
• 스마트 검증기는 도표 5에 나타낸 바와 같이, 기준 스케줄러 대비 종속성 그래프 생성 및 검증 시간을 최대 40% 감소시켰다.
• DAG 스케줄러는 다양한 종속성 패턴에서 안정적인 성능을 보였으며, 다양한 워크로드에서 실행 시간의 변동이 미미하였다.
• 특히 종속성 수준이 높은 환경에서 스마트 검증기가 다른 스케줄러들보다 종속성 구조 생성 및 검증 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 모든 테스트 케이스에서 정확성과 일관성을 유지하였으며, 생산자와 검증기 간에 결정론적 실행을 보장하였다.
• Intkey 및 Insurance 트랜잭션 패밀리에 대한 광범위한 실험을 통해 제안된 스케줄러 및 검증기 모듈의 확장성과 효율성을 확인하였다.

Figure 4 : Linked list representation of the DAG.