[논문 리뷰] Blockchain Consensus Protocols in the Wild

Christian Cachin, Marko Vukolić|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 06.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 41인용 수 257

한 줄 요약

이 논문은 허가된 블록체인에서 사용되는 합의 프로토콜을 조사하고, 형식적 보안 모델과 공개 검토를 옹호하며, 플랫폼 간 회복력을 비교한다.

ABSTRACT

A blockchain is a distributed ledger for recording transactions, maintained by many nodes without central authority through a distributed cryptographic protocol. All nodes validate the information to be appended to the blockchain, and a consensus protocol ensures that the nodes agree on a unique order in which entries are appended. Consensus protocols for tolerating Byzantine faults have received renewed attention because they also address blockchain systems. This work discusses the process of assessing and gaining confidence in the resilience of a consensus protocols exposed to faults and adversarial nodes. We advocate to follow the established practice in cryptography and computer security, relying on public reviews, detailed models, and formal proofs; the designers of several practical systems appear to be unaware of this. Moreover, we review the consensus protocols in some prominent permissioned blockchain platforms with respect to their fault models and resilience against attacks. The protocol comparison covers Hyperledger Fabric, Tendermint, Symbiont, R3~Corda, Iroha, Kadena, Chain, Quorum, MultiChain, Sawtooth Lake, Ripple, Stellar, and IOTA.

연구 동기 및 목표

• 형식 모델과 공개 검토를 포함한 합의 프로토콜 평가에 대해 엄밀하고 암호학 스타일의 접근 방식을 옹호한다.
• 허가된 블록체인에서 사용되는 합의 메커니즘을 조사하고 그들의 장애 모델과 회복력을 대조한다.
• 임시적/임의 설계의 위험성과 표준 검증 관행의 필요성을 강조한다.
• 실세계 구현에서 플랫폼별 회복력과 보안 속성에 대한 비교를 제공한다.

제안 방법

• 블록체인 프로토콜에서 형식 보안 모델, 신뢰 가정, 그리고 공개 검증의 필요성을 논의한다.
• 블록체인 합의의 기초로서 상태 머신 복제(state-machine replication)와 그 두 가지 핵심 속성인 안전성 및 최종 동기성에서의 생존(이용 가능성)을 검토한다.
• 크래시 내성(Paxos/VSR)과 바이즈턴(Byzantine) 합의 계열을 비교하고 이들이 허가된 블록체인에의 적용 가능성을 논의한다.
• 구체적으로 결함이 있는 프로토콜(Tangaroa)을 분석하여 일반적 디자인 함정과 적절한 BRB/BCB 프리미티브의 중요성을 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 허가된 블록체인 프로토콜을 뒷받침하는 합의 모델과 결함 가정은 무엇인가?
• RQ2 주요 허가된 블록체인 플랫폼은 크래시 실패 대 바이즈턴 실패에 대해 회복력에서 어떻게 차이가 나는가?
• RQ3 산업 구현에서 어떤 형식적 방법과 검증 관행이 채택되었거나 부족한가?
• RQ4 실무에서 Paxos/VSR 기반 대 PBFT 기반 접근이 가진 대표적 강점과 약점은 무엇인가?
• RQ5 식별된 함정(예: Tangaroa)으로부터 얻은 교훈은 향후 프로토콜 설계에 어떤 시사점을 주는가?

주요 결과

• 허가된 블록체인에서의 합의 프로토콜은 신뢰 가정이 명확하게 진술되고 형식적 추론이 이루어져야 신뢰할 수 있다고 간주된다.
• 암호학적 관행과 산업 배포 간에 차이가 크며, 많은 구현이 형식적 검증을 결여하고 있다.
• Paxos/VSR 및 PBFT 계열은 각각 크래시 허용 및 바이즈턴 내결함 프로토콜의 기초를 제공하며, 뷰 변화와 리더 선출을 통해 진행이 잘 이해된다.
• PBFT/BFT-SMaRt은 LAN/WAN 환경에서 견고한 바이즈턴 내결함성과 실적을 보이며, 반면 임의 확장(Tangaroa 등의 비정형 확장)은 안전성이나 생존성을 실패시킬 수 있다.
• 일부 플랫폼은 확장성과 유연성을 높이기 위해 트랜잭션 검증과 주문을 분리하는 구조를 채택한다(예: Kafka 기반 주문을 가진 Hyperledger Fabric V1).
• 실무에서 엄밀한 라이브 및 안전한 바이즈턴 합의를 달성하는 구현은 적으며, 형식적 증명과 공개 검토의 가치가 강조된다.