[논문 리뷰] Blockchain Is Dead, Long Live Blockchain! Accountable State Machine Replication for Longlasting Blockchain.

Alejandro Ranchal-Pedrosa, Vincent Gramoli|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 21.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 14인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 결정적으로 불일치를 복구함으로써 기존의 n/3 비잔틴 장애 임계값을 초월하는 합의 내성 보장을 보장하는 첫 번째 장기 블록체인 시스템인 LLB를 소개한다. 새로운 레플리카 세트로 악성 레플리카를 f ≥ n/3에서 f' < n'/3로 감소시킴으로써 LLB는 장기적인 합의 안정성을 확보하고, 원시 상태 기계 복제보다 뛰어난 성능을 발휘하면서도 확장 가능한 블록체인과 동등한 성능을 달성한다.

ABSTRACT

The long-standing impossibility of reaching agreement restricts the lifespan of blockchains. In fact, the consensus on a block to be appended to any blockchain succeeds either with some probability or at the condition that two thirds of the $n$ replicas are not Byzantine. In the former case, the probability that the blockchain fails grows exponentially with the number of newly appended blocks. In the latter case, the blockchain fails as soon as a coalition bribes $f=n/3$ replicas. As a result, one may wonder whether blockchains are doomed to fail. In this paper, we answer this question in the negative by proposing the first Longlasting Blockchain system, \emph{LLB}. LLB builds upon the observation that blockchains are rarely subject to benign faults. As opposed to probabilistic blockchains, LLB solves consensus deterministically when $f<n/3$. As opposed to Byzantine fault tolerant blockchains, it resolves a series of disagreements by reducing eventually the number of deceitful replicas from $n/3\leq f<2n/3$ to $f'<n'/3$ among a new set of $n'$ replicas. To demonstrate its effectiveness, we implement two coalition attacks and a zero loss payment application that forces replicas that misbehave to reimburse conflicting transactions. Finally, LLB outperforms the raw state machine replication at the heart of Facebook's Libra and achieves performance comparable to a scalable blockchain that cannot tolerate $n/3$ failures.

연구 동기 및 목표

• n/3 이상의 레플리카가 비잔틴이 되면 블록체인이 실패하는 데 기인한 블록체인의 근본적 한계를 해결하기 위해.
• 합의 성공이 확률적 보장에 의존하는 확률적 블록체인에서 기하급수적인 장애 위험을 극복하기 위해.
• f ≥ n/3 레플리카가 손상된 조건에서도 동적으로 레플리카 세트를 업데이트함으로써 결정적 합의 메커니즘을 설계하여 블록체인 무결성을 유지하기 위해.
• 잘못된 행동을 하는 레플리카가 충돌하는 거래를 보상하도록 보장함으로써 공모를 억제하기 위해 책임성을 강화하기 위해.
• 기존의 상태 기계 복제 방식을 개선한 신규한 상태 기계 복제 접근법을 통해 n/3 이상의 장애를 견딜 수 있으면서도 확장 가능한 블록체인과 동등한 성능을 달성하기 위해.

제안 방법

• LLB는 f < n/3 조건에서 결정적 합의를 사용하여, 확률적 수렴 없이 즉각적이고 최종적인 합의를 보장한다.
• f ≥ n/3 조건이 발생하면 LLB는 새로운 더 작은 레플리카 세트 n'을 구성하는 레플리카 교체 프로토콜을 활성화함으로써 f' < n'/3 조건을 확보하고, 합의 안정성을 복원한다.
• 시스템은 암호학적 책임성과 거래 보상 프로토콜을 통해 속임수를 행사하는 레플리카를 식별하고 격리하는 불일치 해결 메커니즘을 구현한다.
• LLB는 잘못된 행동을 하는 레플리카가 충돌하는 거래를 보상하도록 강제하는 제로 손실 지급 애플리케이션을 통합하여 공모에 대한 경제적 제재를 강화한다.
• 모든 잘못된 상태 전이가 암호학적으로 추적 가능하고 처벌 가능하도록 책임 있는 상태 기계 복제(ASMR)를 활용한다.
• LLB의 아키텍처는 동적 재구성과 장애 탐지 기능을 지원하는 수정된 상태 기계 복제 모델에 기반하여, 악성 조건 하에서도 장기 운영을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인 시스템은 기존의 n/3 비잔틴 장애 임계값을 초월하여 합의 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 f ≥ n/3 레플리카가 비잔틴인 조건에서도 결정적 합의를 달성할 수 있는가?
• RQ3 레플리카 교체를 통해 악성 레플리카 수를 동적으로 감소시킴으로써 블록체인 시스템이 장기적 내구성을 확보할 수 있는가?
• RQ4 잘못된 행동을 하는 레플리카에 대해 책임성과 재정적 제재를 부과할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 n/3 이상의 장애를 견딜 수 있으면서도 확장 가능한 블록체인과 동등한 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• LLB는 원래의 레플리카 세트를 f' < n'/3 조건을 만족하는 새로운 세트로 교체함으로써 f ≥ n/3 비잔틴 레플리카로 인한 합의 실패를 성공적으로 해결하고 안정성을 복원한다.
• LLB는 f < n/3 조건에서 결정적 합의를 달성하여, 확률적 블록체인에 내재된 기하급수적 장애 위험을 제거한다.
• LLB는 Facebook의 Libra에서 사용하는 원시 상태 기계 복제 방식보다 악성 조건 하에서 합의 지연과 처리량 측면에서 뛰어난 성능을 발휘한다.
• LLB는 f ≥ n/3 장애를 견딜 수 없는 확장 가능한 블록체인과 동등한 성능을 달성하여 실용적 효율성을 입증한다.
• 제로 손실 지급 애플리케이션이 잘못된 행동을 하는 레플리카가 충돌하는 거래를 보상하도록 강제하여 경제적 책임성의 실현 가능성을 입증한다.
• 두 가지 코али션 공격의 구현을 통해 LLB가 공모를 탐지하고 억제할 수 있으며, 현실적인 악성 환경 하에서도 시스템 무결성을 유지할 수 있음을 확인했다.