[논문 리뷰] An Empirical Study of Speculative Concurrency in Ethereum Smart Contracts

Vikram Saraph, Maurice Herlihy|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 05.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 5인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 역사적 트랜잭션 트레이스를 사용하여 이더리움 스마트 컨트랙트 실행을 위한 사전 실행 동시성의 성능을 평가한다. 두 단계로 나누어 실행하는 사전 실행 모델—병렬 실행 후 충돌하는 트랜잭션들을 순차적으로 재실행—을 제안하며, 2016년에는 8배의 성능 향상을 기록했으나 2017년에는 2배로 감소했으며, 대부분의 경쟁은 CryptoKitties와 같은 고-traffice 컨트랙트들에 의해 유발된다.

ABSTRACT

We use historical data to estimate the potential benefit of speculative techniques for executing Ethereum smart contracts in parallel. We replay transaction traces of sampled blocks from the Ethereum blockchain over time, using a simple speculative execution engine. In this engine, miners attempt to execute all transactions in a block in parallel, rolling back those that cause data conflicts. Aborted transactions are then executed sequentially. Validators execute the same schedule as miners. We find that our speculative technique yields estimated speed-ups starting at about 8-fold in 2016, declining to about 2-fold at the end of 2017, where speed-up is measured using either gas costs or instruction counts. We also observe that a small set of contracts are responsible for many data conflicts resulting from speculative concurrent execution.

연구 동기 및 목표

• 실제 역사적 데이터를 사용하여 이더리움 스마트 컨트랙트에 대한 사전 병렬 실행의 실용적 성능 이점을 평가하는 것.
• 특히 증가하는 트랜잭션 부하 하에서 사전 실행에서의 데이터 충돌의 범위와 원인을 규명하는 것.
• 점점 증가하는 경쟁에도 불구하고 단순한 사전 실행 기법이 의미 있는 성능 향상을 이끌 수 있는지 평가하는 것.
• 의미 기반 실행 또는 인cent라이브를 통한 충돌 감소 전략이 확장성 향상에 기여할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 읽기-쓰기 세트 겹침을 통한 충돌 감지를 통해 트랜잭션을 병렬로 실행하는 사전 실행 엔진을 사용해 샘플된 이더리움 블록을 재실행한다.
• 충돌 감지를 바탕으로 트랜잭션을 동시 실행 및 순차 실행 그룹으로 분류: 충돌이 없는 트랜잭션은 병렬로 실행하고, 충돌이 있는 것은 다시 순차적으로 재실행한다.
• 실행 시간을 추정하기 위해 가스 비용 또는 EVM 명령어 수를 런타임의 대체 지표로 사용하며, 성능 향상률은 순차적 실행 시간 대비 사전 실행 시간의 비율로 계산한다.
• 충돌 감지 오버헤드를 최소화하기 위해 거래를 동시 또는 순차적 단계로 분류하는 데에 게으른 바인딩 전략을 사용한다.
• 고-traffice 컨트랙트(예: CryptoKitties)를 분리하여 충돌 패턴을 분석하고, 이들이 경쟁과 성능 향상에 미치는 영향을 평가한다.
• 코어 수를 16에서 64로 변화시키고, 의미 기반 충돌 모델링과 같은 대안적 충돌 감지 전략을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이더리움 스마트 컨트랙트에 대한 사전 병렬 실행의 성능 향상은 시간이 지남에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 이더리움의 트랜잭션 부하 변화에 따라 충돌 비율과 경쟁 패턴은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 사전 실행에서 다수의 데이터 충돌을 유발하는 주요 스마트 컨트랙트는 무엇인가?
• RQ4 다중 실행 단계와 같은 공격적인 사전 실행 전략은 성능 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 의미 수준의 충돌 분석이나 VM 수준의 원자적 연산은 잘못된 양의 의존성(거짓 긍정)을 줄이고 확장성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 사전 실행으로 인한 성능 향상은 2016년 초 약 8배에서 2017년 말에는 약 2배로 감소하여, 부하 증가에 따라 수익 감소 현상이 나타남을 시사한다.
• 소수의 매우 인기 있는 컨트랙트—특히 CryptoKitties—가 비례하지 않게 많은 양의 데이터 충돌을 유발하며, 피크 기간 동안 충돌하는 스토리지 주소의 30% 이상에서 최소 5번 이상의 충돌이 발생했다.
• CryptoKitties와 같은 고충돌 컨트랙트를 제외하면 고경쟁 주소 비율이 30%에서 14%로 감소하여 충돌 히스토GRAM과 성능 향상 잠재력이 크게 향상됨을 확인했다.
• 읽기 세트와 쓰기 세트를 별도로 분리하는 전략은 충돌 비율을 크게 감소시켰으며, 이는 간단한 충돌 감지 방식이 진정한 의존성을 과대평가하고 있음을 시사한다.
• 모의 코어 수를 16개에서 64개로 늘임으로써 성능 향상이 향상되었지만, 64개를 초과해 확장해도 추가적인 이점은 거의 없었다.
• 다중 동시 실행 단계를 포함한 더 공격적인 사전 실행 전략은 충돌 패턴이 급격하게 발생하는 특성상 한 트랜잭션이 많은 다른 트랜잭션들과 충돌하는 경향이 있어 추가적인 성능 향상에 기여하지 못했다.