[논문 리뷰] Bitcoin-NG: A Scalable Blockchain Protocol

Ittay Eyal, Adem Efe Gencer외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 07.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 111

한 줄 요약

Bitcoin-NG는 블록체인 프로토콜의 확장성을 향상시키기 위해 리더 선출과 거래 순서 정렬을 분리함으로써, 노드 처리 능력에 의해 제한되는 처리량과 네트워크 전파 지연에 의해 제한되는 지연 시간만을 고려하게 한다. 한 에포크 동안 단일 리더가 여러 블록을 생성할 수 있도록 함으로써 최적의 확장성을 달성하면서도 비트코인의 신뢰 모델과 보안 특성을 유지한다. 이는 1,000개 노드를 대상으로 한 대규모 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Cryptocurrencies, based on and led by Bitcoin, have shown promise as infrastructure for pseudonymous online payments, cheap remittance, trustless digital asset exchange, and smart contracts. However, Bitcoin-derived blockchain protocols have inherent scalability limits that trade-off between throughput and latency and withhold the realization of this potential. This paper presents Bitcoin-NG, a new blockchain protocol designed to scale. Based on Bitcoin's blockchain protocol, Bitcoin-NG is Byzantine fault tolerant, is robust to extreme churn, and shares the same trust model obviating qualitative changes to the ecosystem. In addition to Bitcoin-NG, we introduce several novel metrics of interest in quantifying the security and efficiency of Bitcoin-like blockchain protocols. We implement Bitcoin-NG and perform large-scale experiments at 15% the size of the operational Bitcoin system, using unchanged clients of both protocols. These experiments demonstrate that Bitcoin-NG scales optimally, with bandwidth limited only by the capacity of the individual nodes and latency limited only by the propagation time of the network.

연구 동기 및 목표

• 고정된 블록 간격과 크기로 인해 처리량과 지연 시간을 포기해야 하는 비트코인 블록체인 프로토콜의 본질적 확장성 한계를 해결하기 위해.
• 비트코인의 신뢰 모델을 유지하면서도 실제 네트워크 및 노드 제약 조건 하에서 근접한 최적의 성능을 달성할 수 있는 프로토콜을 설계하기 위해.
• Nakamoto 합의 프로토콜의 보안성과 효율성을 평가하기 위한 정량적 지표를 도입하기 위해.
• 실제 클라이언트와 현실적인 네트워크 조건을 반영한 대규모 시뮬레이션 환경을 활용하여 Bitcoin-NG의 확장성과 강건성을 실증적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• Bitcoin-NG는 시간을 에포크로 나누며, 각 에포크에는 랜덤하고 희박하게 이루어지는 프로세스를 통해 단일 리더가 선출된다.
• 에포크 기간 동안 리더는 단독으로 거래를 순서 정렬하고 여러 블록을 생성함으로써 처리량을 블록 간격에서 분리한다.
• 리더 선출은 미래 지향적이며, 블록 간격 동안 발생하는 비트코인의 전역 정지 현상을 방지함으로써 지속적인 거래 처리를 보장한다.
• 프로토콜은 바이진트 Fault Tolerance를 유지하며, 비트코인과 동일한 암호 기반 원리와 신뢰 가정을 사용한다.
• 합의 프로토콜 성능 평가를 위한 새로운 지표(예: 프로토콜 양호도, 지연 시간, 마이닝 파wr 분포의 공정성)를 도입한다.
• 실제 인터넷 지연 시간을 모의한 1,000개 노드를 활용한 대규모 실험을 수행하였으며, 비트코인 및 Bitcoin-NG 클라이언트를 그대로 유지하여 프로토콜의 정확성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화성이나 보안성을 훼손하지 않으면서도 최적의 처리량과 낮은 지연 시간을 달성할 수 있는 블록체인 프로토콜이 존재할 수 있는가?
• RQ2 리더 선출과 거래 순서 정렬을 분리함으로써 시스템 성능과 마이닝 파wr 분포의 공정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존의 확장성 개선 방법(블록 크기 증가 또는 블록 간격 단축)은 얼마나 중앙화 위험을 증가시키며, 마이닝 효율성을 감소시키는가?
• RQ4 네트워크 및 노드 제약 조건 하에서도 비트코인의 신뢰 모델을 유지하면서 근접한 이상적인 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 원자료 거래 처리량을 넘어서 정량적 지표를 활용해 합의 프로토콜을 객관적으로 평가할 수 있는가?

주요 결과

• Bitcoin-NG는 최적의 확장성을 달성하며, 처리량은 개별 노드의 처리 능력에 의해, 지연 시간은 네트워크 전파 지연에 의해만 제한된다.
• 비트코인에서 블록 간격을 단축하거나 블록 크기를 증가시키는 것은 공정성 저하와 마이닝 파워의 중앙화를 초래하여 탈중앙화성을 약화시킨다.
• Bitcoin-NG는 거래 순서 정렬을 블록 생성에서 분리함으로써 이러한 공정성과 효율성 문제를 피하며, 높은 마이닝 파워 활용도를 유지한다.
• 1,000개 노드를 대상으로 한 대규모 시뮬레이션(운영 중인 비트코인 네트워크의 약 15%)은 동일한 네트워크 조건 하에서 Bitcoin-NG가 비트코인보다 지연 시간과 처리량 면에서 뛰어난 성능을 보임을 입증했다.
• 프로토콜은 바이진트 Fault Tolerance와 극단적인 노드 변화에 대한 강건성을 유지하면서도 비트코인과 동일한 신뢰 모델을 유지한다.
• 제안된 지표들은 합의 프로토콜 간 비교를 위한 정량적 기반을 제공하며, 매개변수 조정 논의를 추측이 아닌 실증 데이터에 기반하게 한다.