[논문 리뷰] Blockchain Consensus Algorithms: A Survey

Md Sadek Ferdous, Mohammad Jabed Morshed Chowdhury외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 20.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 합의 알고리즘에 대한 종합적인 서베이를 제시하며, 인센티브 기반(예: PoW, PoS, DPoS)과 비인센티브 기반 유형으로 분류하는 새로운 분류 체계를 도입한다. 이는 100여 개 이상의 암호화폐에서의 성능, 상호 작용, 실질적 구현 사례를 포함한 상세 분석을 수반한다. 주요 기여는 시스템 요구사항에 따라 합의 알고리즘 선택을 안내하는 시각적 표 형태 비교와 의사결정 트리로, 시장 시가총액 기준으로 여전히 PoW가 지배적임을 보여주지만, PoS와 DPoS는 더 높은 확장성을 제공하지만 해결되지 않은 보안 과제를 안고 있음을 강조한다.

ABSTRACT

In recent years, blockchain technology has received unparalleled attention from academia, industry, and governments all around the world. It is considered a technological breakthrough anticipated to disrupt several application domains. This has resulted in a plethora of blockchain systems for various purposes. However, many of these blockchain systems suffer from serious shortcomings related to their performance and security, which need to be addressed before any wide-scale adoption can be achieved. A crucial component of any blockchain system is its underlying consensus algorithm, which in many ways, determines its performance and security. Therefore, to address the limitations of different blockchain systems, several existing as well novel consensus algorithms have been introduced. A systematic analysis of these algorithms will help to understand how and why any particular blockchain performs the way it functions. However, the existing studies of consensus algorithms are not comprehensive. Those studies have incomplete discussions on the properties of the algorithms and fail to analyse several major blockchain consensus algorithms in terms of their scopes. This article fills this gap by analysing a wide range of consensus algorithms using a comprehensive taxonomy of properties and by examining the implications of different issues still prevalent in consensus algorithms in detail. The result of the analysis is presented in tabular formats, which provides a visual illustration of these algorithms in a meaningful way. We have also analysed more than hundred top crypto-currencies belonging to different categories of consensus algorithms to understand their properties and to implicate different trends in these crypto-currencies. Finally, we have presented a decision tree of algorithms to be used as a tool to test the suitability of consensus algorithms under different criteria.

연구 동기 및 목표

• 다양한 시스템과 용도에 걸쳐 블록체인 합의 알고리즘에 대한 종합적이고 실용적인 분석의 부족을 해결하기 위해.
• 기존 합의 알고리즘의 핵심 성질과 상호 간의 상충 관계를 규명하고, 특히 보안, 성능, 확장성과의 관련성을 규명하기 위해.
• 100여 개 이상의 암호화폐를 분석하여 합의 메커니즘 채택 추세를 파악하고 실제 적용 사례의 영향을 평가하기 위해.
• 특정 시스템 기준(예: 탈중앙화, 처리량, 보안)에 기반해 합의 알고리즘 선택을 지원하는 의사결정 트리 도구를 개발하기 위해.
• 이전 서베이에서 부족한 깊이와 완전성을 메우기 위해 체계적이고 분류 기반의 합의 메커니즘 비교 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 인센티브 기반 대비 비인센티브 기반으로 나누는 새로운 이중계층 분류 체계를 제안하며, 기제 유형(예: PoW, PoS, DPoS, BFT 변종, 하이브리드, 신규 기법)으로 추가 분류한다.
• 보안, 확장성, 처리량, 지연 시간, 탈중앙화성 등 다양한 성질을 종합적으로 분석하여 각 합의 유형을 평가한다.
• 다양한 블록체인 시스템과 암호화폐 간의 합의 알고리즘을 비교하기 위한 표 형태 요약 자료를 제시한다.
• 상위 100여 개 이상의 암호화폐를 대상으로 대규모 실증 분석을 수행하여 합의 메커니즘에 따라 매핑하고 채택 추세를 규명한다.
• 신뢰 모델, 성능, 탈중앙화성 등의 시스템 요구사항을 기반으로 한 의사결정 트리를 개발하여 합의 알고리즘 선택을 안내한다.
• Hyperledger 기반 프레임워크를 포함한 공개 및 비공개 블록체인 시스템을 검토하고 비교하며, SBFT, PoET, 기타 비인센티브 합의 기법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주요 블록체인 합의 알고리즘의 핵심 성질과 상충 관계는 무엇이며, 이는 시스템 성능과 보안에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 PoW, PoS, DPoS, BFT 등의 다양한 합의 기법은 확장성, 처리량, 노things-at-stake나 장거리 공격과 같은 공격에 대한 저항성 측면에서 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ3 100여 개 이상의 상위 암호화폐를 대상으로 한 분석에서 관찰되는 합의 메커니즘 채택 추세는 무엇이며, 이는 실제 세계의 우선순위를 어떻게 반영하는가?
• RQ4 기존 합의 알고리즘의 한계는 무엇이며, 왜 보안, 성능, 탈중앙화성의 이상적인 균형이 아직 달성되지 않았는가?
• RQ5 의사결정 프레임워크는 개발자와 아키텍트가 특정 블록체인 용도에 가장 적합한 합의 알고리즘을 선택하는 데 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 에너지 소비가 높고 처리량이 낮음에도 불구하고, 작업 증명(PoW)은 여전히 시장 시가총액 기준으로 가장 지배적인 합의 메커니즘이다.
• 스테이킹 증명(PoS)과 위임 스테이킹 증명(DPoS)은 PoW보다 훨씬 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 제공하지만, 노things-at-stake, 뇌물 공격, 장거리 공격 등의 해결되지 않은 보안 과제를 안고 있다.
• 하이브리드 합의 기법(예: PoR, PoB, PoS-Velocity)과 신규 접근법(예: PoC, PoI)은 유망한 잠재력을 보이지만, 광범위한 구현과 표준화가 부족하다.
• 비인센티브 합의 알고리즘(예: SBFT, PoET, Tendermint)은 하이퍼레지스트리와 같은 비공개 블록체인에서 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 달성하지만, 사전 인증된 참가자가 필요하여 탈중앙화성에 제약을 받는다.
• 분석 결과, 보안, 성능, 탈중앙화성의 이상적인 균형을 달성하는 데 성공한 합의 알고리즘이 아직 존재하지 않으며, 이상적인 솔루션은 여전히 확보되지 않은 상태임을 확인했다.
• 제안된 의사결정 트리는 특정 블록체인 시스템 요구사항에 맞게 맞춤형으로 설계된 실용적인 기준 기반 도구로서 합의 알고리즘 선택에 유용하다.