[논문 리뷰] Atomic Cross-Chain Swaps

Maurice Herlihy|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 29.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 11인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 해시 타임락 계약과 리더의 피드백 정점 집합을 사용하여 다중 블록체인 간에 안전성과 활성화를 보장하는 증명 가능하게 정확한 원자적 크로스체인 스왑 프로토콜을 제안한다. 이러한 스왑이 가능하고 원자적임을 보여주기 위해 스왑 의존성 그래프 D가 강연결되어 있고 리더 집합 L이 피드백 정점 집합을 이뤄야 하며, 시간 복잡도는 O(diam(D))이고 공간 복잡도는 O(|A|²)임을 증명한다.

ABSTRACT

An atomic cross-chain swap is a distributed coordination task where multiple parties exchange assets across multiple blockchains, for example, trading bitcoin for ether. An atomic swap protocol guarantees (1) if all parties conform to the protocol, then all swaps take place, (2) if some coalition deviates from the protocol, then no conforming party ends up worse off, and (3) no coalition has an incentive to deviate from the protocol. A cross-chain swap is modeled as a directed graph ${\cal D}$, whose vertexes are parties and whose arcs are proposed asset transfers. For any pair $({\cal D},L)$, where ${\cal D} = (V,A)$ is a strongly-connected directed graph and $L \subset V$ a feedback vertex set for ${\cal D}$, we give an atomic cross-chain swap protocol for ${\cal D}$, using a form of hashed timelock contracts, where the vertexes in $L$ generate the hashlocked secrets. We show that no such protocol is possible if ${\cal D}$ is not strongly connected, or if ${\cal D}$ is strongly connected but $L$ is not a feedback vertex set. The protocol has time complexity $O(diam({\cal D}))$ and space complexity (bits stored on all blockchains) $O(|A|^2)$.

연구 동기 및 목표

• 모든 당사자가 협력할 경우에만 자산을 교환하는 다중 블록체인 간에 안전하고 신뢰할 필요가 없는 원자적 크로스체인 스왑 프로토콜을 설계하는 것.
• 어떤 연합이 이탈하더라도 순응하는 당사자가 더 나빠지지 않도록 보장하여 개인의 이성과 inccentive compatibility를 유지하는 것.
• 이러한 스왑이 가능해지는 필수 및 충분 조건인 강연결성과 피드백 정점 집합 구조를 형식적으로 규명하는 것.
• 블록체인 운영 및 스토리지 요구 사항 측면에서 프로토콜의 시간 복잡도와 공간 복잡도를 분석하는 것.

제안 방법

• 크로스체인 스왑을 방향 그래프 D = (V, A)로 모델링하며, 정점은 당사자를 나타내고 간은 자산 이전을 나타낸다.
• 프로토콜에서 사용되는 해시락된 비밀을 생성하는 '리더'로 구성된 피드백 정점 집합 L ⊆ V 를 식별한다.
• 시간이 감소하는 타임락을 가진 해시 타임락 계약(HTLC)을 사용하여 블록체인 간의 거래를 순차적으로 트리거하는 데 조율한다.
• 의존성의 반대 순서로 계약을 배포한다: 마지막 이전부터 첫 번째까지 역순으로, 이렇게 하여 어떤 당사자도 자산을 조기에 수령하는 것을 방지한다.
• 단계 기반 프로토콜을 사용한다: (1) 감소하는 타임아웃으로 계약 배포, (2) 역순으로 비밀 공개, (3) 모든 비밀이 공개된 후에만 최종 정산.
• 암호학적 원리(해시 함수)와 블록체인의 불변성에 기반하여 신뢰할 수 있는 제3자 없이 원자성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 블록체인에서 원자적 크로스체인 스왑이 가능한 그래프 이론적 조건은 무엇인가?
• RQ2 모든 당사자가 이탈하더라도 이성적인 당사자가 더 나빠지지 않는 프로토콜을 구성할 수 있는가, 특히 공모가 존재하더라도?
• RQ3 복잡한 의존성 그래프에서 안전하고 원자적으로 스왑을 조율하기 위해 필요한 최소한의 당사자(리더) 수는 얼마인가?
• RQ4 스왑 그래프의 크기와 구조에 따라 시간 복잡도와 공간 복잡도는 어떻게 증가하는가?
• RQ5 프로토콜을 다중 간선 이전, 반복 스왑, 또는 오프체인 실행을 지원하도록 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 원자적 크로스체인 스왑은 스왑 의존성 그래프 D가 강연결되어 있고 리더 집합 L이 D에 대한 피드백 정점 집합을 이룰 때에만 가능하다.
• D가 강연결되어 있지 않거나 L이 피드백 정점 집합이 아니라면, 원자성과 공정성을 보장하는 프로토콜은 존재하지 않는다.
• 프로토콜은 시간 복잡도 O(diam(D)))를 달성하며, 이는 스왑 의존성 그래프의 지름에 따라 효율적인 실행을 보장한다.
• 모든 블록체인에 걸친 총 공간 복잡도는 O(|A|²)이며, 이는 자산 이전 간선 수에 대해 제곱적으로 증가한다.
• 프로토콜은 이성적 및 비이성적 이탈에 저항력이 있다: 순응하는 당사자는 프로토콜이 실행되지 않았을 경우보다 더 나빠지지 않는다.
• 프로토콜은 다중 그래프(동일한 당사자 간 다중 이전)로 확장 가능하며, 사전에 해시락을 배포하여 반복 스왑을 지원할 수 있다.