[논문 리뷰] Blockchain Consensuses Algorithms: A Survey.

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

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 합의 알고리즘에 대한 종합적인 서베이를 제시하며, 그 성질에 대한 통합된 분류 체계를 도입하고, 100여 개 이상의 Cryptocurrency를 분석하여 추세와 한계를 규명한다. 성능, 보안, 확장성 측면에서 다양한 블록체인 설계를 평가할 수 있는 체계적인 프레임워크를 제공하기 위해, 시스템 요구사항에 기반한 알고리즘 선택을 안내하는 决策 트리(의사결정 트리)를 제안한다.

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

• 기존 연구에서 블록체인 합의 알고리즘에 대한 종합적 분석의 부족을 해결하기 위해.
• 체계적인 비교를 위한 합의 알고리즘 성질의 통합 분류 체계를 개발하기 위해.
• 실제 암호화폐에서 주요 합의 알고리즘의 성능 및 보안 영향을 분석하기 위해.
• 상위 암호화폐들 간의 합의 메커니즘 채택 추세를 규명하기 위해.
• 응용 분야별 요구사항에 기반한 합의 알고리즘 선택을 위한 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 보안, 확장성, 최종성 등을 포함한 합의 알고리즘 성질에 대한 종합적 분류 체계 설계.
• 합의 메커니즘에 따라 분류된 상위 100여 개 이상의 암호화폐를 체계적으로 분석.
• 장애 내성, 지연 시간, 처리량, 에너지 효율성 측면에서 각 알고리즘의 행동 평가.
• 합의 설계 선택과 실제 성능 결과 간의 관계 매핑.
• 탈중앙화, 최종성, 처리량 등의 주요 시스템 요구사항을 기반으로 한 의사결정 트리 구축.
• 다양한 차원에서 합의 알고리즘을 시각적으로 비교하기 위해 표 형태 표현 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 합의 알고리즘이 보안, 확장성, 최종성 측면에서 어떻게 다름을 보이나?
• RQ2 상위 암호화폐들 간의 합의 메커니즘 채택 추세에서 관찰되는 경향은 무엇인가?
• RQ3 기존 합의 알고리즘에서 성능과 보안 간의 핵심 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ4 특정 블록체인 사용 사례에 가장 적합한 합의 알고리즘은 무엇인가?
• RQ5 합의 알고리즘의 설계 선택이 실제 블록체인 시스템 성능에 어떻게 영향을 미치나?

주요 결과

• 서베이는 이전 연구에서 성질 분석의 완전성과 주요 합의 알고리즘 커버리지 부족과 같은 심각한 격차를 규명한다.
• 상위 암호화폐들 사이에는 합의 메커니즘의 광범위한 다양성이 관찰되며, 특히 스테이킹 기반의 Proof of Stake 및 그 변종이 최근 배포에서 지배적이다.
• 처리량과 최종성 시간 등의 성능 지표는 상당한 차이를 보이며, 일부 신규 알고리즘은 1초 이내의 최종성과 높은 처리량을 달성한다.
• Sybil 공격 및 Eclipse 공격에 대한 저항성과 같은 보안 성질은 기존 알고리즘들 간에 일관되게 문서화되어 있지 않다.
• 의사결정 트리는 응용 요구사항을 적합한 합의 알고리즘과 연결하는 실용적인 도구를 제공하여 선택의 투명성을 향상시킨다.
• 표 형태 비교 분석을 통해 단일 합의 알고리즘이 모든 차원에서 뛰어난 성능을 보이지 않음을 확인하였으며, 이는 맥락 기반 설계 선택의 필요성을 강화한다.