[논문 리뷰] Asymptotic Performance Analysis of Blockchain Protocols

Antoine Durand, Elyes Ben Hamida외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 12.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 24인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 프로토콜을 총주문 브로드캐스트(TO-Broadcast)의 변종으로 모델링하여 통신 복잡도와 지연 시간을 핵심 프로토콜들에 대해 형식적 渐近 성능 분석을 수행한다. 분석 결과, 허가되지 않은 블록체인은 최적의 통신 복잡도를 달성하지만 보안 매개변수에 따라 지연 시간이 증가하는 반면, 알고랜드는 최종성 메커니즘 덕분에 일정한 지연 시간을 유지함을 확인한다.

ABSTRACT

In the light of the recent fame of Blockchain technologies, numerous proposals and projects aiming at better practical viability have emerged. However, formally assessing their particularities and benefits has proven to be a difficult task. The aim of this work is to compare the fundamental differences of such protocols to understand how they lead to different practical performances. To reach this goal, we undertake a complexity analysis of a wide range of prominent distributed algorithms proposed for blockchain systems, under the lens of Total Order Broadcast protocols. We sampled protocols designed for very different settings and that use a broad range of techniques, thus giving a good overview of the achievements of state-of-the-art techniques. By analyzing latency and network usage, we are able to discuss each protocol's characteristics and properties in a consistent manner. One corollary result to our work is a more robust criteria to classify protocols as permissioned or permissionless.

연구 동기 및 목표

• 네트워크 효율성과 확장성 기준으로 블록체인 프로토콜을 비교할 수 있는 일관된 프레임워크 수립
• 네트워크 크기와 보안 매개변수의 함수로서 주요 블록체인 프로토콜의 통신 복잡도와 지연 시간 성능 분석
• 허가된 프로토콜과 허가되지 않은 프로토콜로의 분류에 대한 모호함을 제거하기 위해 확장성 기반 기준 제안
• 다양한 합의 기법(PoW, PoS, BFT 등)이 渐近 성능 지표에 미치는 영향 평가
• 실용적 타당성과 성능 트레이드오프 측면에서 신규 블록체인 프로토콜 평가를 위한 방법론적 기초 제공

제안 방법

• 블록체인 프로토콜을 총주문 브로드캐스트(TO-Broadcast)의 사례로 모델링하여 성능 평가를 위한 통합 추상화 가능
• 비트코인, 스노우 화이트, 스펙트르, 오크보러스, 알고랜드, 텐더민트, 톤리배지어BFT 등 광범위한 프로토콜들을 동일한 이론적 프레임워크 하에서 분석
• 네트워크 크기(n)와 보안 매개변수(κ)의 함수로서 통신 복잡도(비트 비용)와 지연 시간의 渐近 표현 유도
• 공개적이고 편향되지 않은 난수를 블록체인 프로토콜에서 통신 오버헤드를 줄이는 핵심 요소로 활용
• 확장성 기반 기준 도입: 프로토콜의 통신 복잡도가 n에 대해 선형이고 지연 시간이 n과 무관할 경우, 허가되지 않은 환경에 적합하다고 간주
• 확률적 안전성(PoW 기반 시스템 등)과 결정적 최종성(알고랜드 등) 간의 상충 관계 비교 적용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 네트워크 크기와 보안 매개변수에서 다양한 블록체인 프로토콜이 통신 복잡도와 지연 시간 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 공개 난수가 블록체인 프로토콜에서 통신 비용을 낮추는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 허가되지 않은 블록체인 프로토콜은 보안 보장을 제공함에도 불구하고 높은 통신 효율성을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ4 허가되지 않은 환경에 적합한 프로토콜과 그렇지 않은 프로토콜을 구분할 수 있는 강력하고 형식적인 기준을 정의할 수 있는가?
• RQ5 최종성 메커니즘(예: 알고랜드)은 지연 시간과 통신 복잡도 간의 상충 관계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 허가되지 않은 블록체인 프로토콜은 최적의 통신 복잡도를 달성하며, n명의 참가자에 대해 비트 비용이 이론적 하한값 bn에 渐近적으로 수렴한다.
• 허가되지 않은 프로토콜의 지연 시간은 보안 매개변수 κ에 따라 증가하며, 특히 비트코인과 오크보러스와 같은 PoW 기반 시스템에서 블록 마이닝의 다중 라운드 필요로 인해 뚜렷하다.
• 알고랜드는 최종성 메커니즘을 통해 분岐를 제거하고 참가자들을 병렬로 무작위 샘플링할 수 있어 보안 매개변수 κ와 무관하게 일정한 지연 시간을 유지한다.
• 알고랜드의 통신 비용은 일부 다른 프로토콜보다 높지만 여전히 확장 가능하며, n에 대해 선형으로 증가하는 복잡도를 유지한다.
• 공개적이고 편향되지 않은 난수의 사용은 낮은 통신 오버헤드로 확률적 안전성을 가능하게 하여 악성 참여를 고려 확률적으로 제한할 수 있다.
• 프로토콜의 통신 복잡도가 O(n)이고 지연 시간이 n과 무관할 경우, 허가되지 않은 환경에 적합하다고 간주되며, 이는 프로토콜을 분류하는 데 형식적인 기준을 제공한다.