[논문 리뷰] Blockchains Meet Distributed Hash Tables: Decoupling Validation from State Storage

Matteo Bernardini, Diego Pennino외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 07.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 10인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 분산 해시 테이블(DHT)을 활용하여 블록 검증을 상태 저장과 분리하는 블록체인 아키텍처를 제안한다. 노드는 DHT에서 확보한 암호학적 증명을 사용해 거래를 검증하며, 이로 인해 최소한의 로컬 상태(예: 최근 8개 블록)만 유지함으로써 초기 동기화 시간을 20초 이내로 단축시킨다. 이는 기존의 이더리움과 같은 시스템보다 크게 빠르다.

ABSTRACT

The first obstacle that regular users encounter when setting up a node for a public blockchain is the time taken for downloading all the data needed for the node to start operating correctly. In fact, this may last from hours to weeks for the major networks. Our contribution is twofold. Firstly, we show a design that enables mining and validation of new blocks keeping only a very small state. Secondly, we show that it is possible to store the state of the blockchain in a distributed hash table obtaining a wide spectrum of trade-offs between storage committed by the nodes and replication factor. Our proposal is independent from the consensus algorithm adopted, and copes well with transactions that involve smart contracts.

연구 동기 및 목표

• 현재 수시간에서 수주일에 이르는 블록체인 검증 노드 설정 시 동기화 시간이 길다는 주요 장애요인을 해결하기 위해.
• 노드가 거래를 안전하게 검증할 수 있도록 최소한의 로컬 상태(예: 최근 블록들)만 저장함으로써 스토리지 부담을 줄이기 위해.
• 블록체인 상태를 DHT에 분산 저장함으로써 노드의 스토리지 기여도와 데이터 복제 수준 간의 탄력적인 트레이드오프를 가능하게 하기 위해.
• 기존 합의 알고리즘과 호환되며, 스마트 컨트랙트 거래를 지원하면서도 보안성을 훼손하지 않기 위해.
• 특히 IoT와 같은 자원 제약 환경에서의 블록체인 확장성과 사용성 향상을 위해.

제안 방법

• 노드는 오직 마지막 $ d $개의 블록(예: $ d = 8 $)만 저장하고, 인증된 데이터 구조에서 유도된 암호학적 증명을 사용해 거래를 검증한다.
• 전체 블록체인 상태는 동일한 노드들이 구현한 DHT에 저장되어, 0에서 전체 데이터셋까지의 다양한 스토리지 기여 수준을 유연하게 허용한다.
• 거래 생성자가 거래에 포함된 상태 요소에 대한 증명을 DHT에서 검색하고, 이를 거래와 함께 포함하여 검증을 수행한다.
• 보안은 로컬 체인의 블록에 암호학적으로 바인딩된 증명이 요구되며, 잘못되거나 오래된 증명은 기각된다.
• 접속 끊김 후 재동기화는 로컬에 저장된 체크포인트 블록의 해시를 사용하여 보장되며, 이후 블록에서 이를 참조한다.
• 시스템은 네트워크 전파가 동기화되어 있음을 가정하고, 증명이 $ (d-1)T $ 시간 이내에 유효해야만 검증 윈도우 내에서 유지되도록 시간 기반 모델을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보안성이나 합의 무결성을 흔들지 않으면서도 블록체인 검증을 지속적 상태 저장에서 분리할 수 있는가?
• RQ2 정확하고 안전한 거래 검증을 보장하기 위해 검증 노드가 유지해야 할 최소한의 로컬 상태는 무엇인가?
• RQ3 신뢰할 수 없는 스토리지에서 데이터 가용성과 일관성을 유지하면서도 빠른 초기 동기화를 달성할 수 있는가?
• RQ4 분산 상태 스토리지 모델에서 노드의 스토리지 기여도와 데이터 복제 수준 간의 트레이드오프는 어떤가?
• RQ5 노드 재동기화 중에 이클립스 공격을 방지할 수 있는가?

주요 결과

• 2 Mb/s 대역폭 조건에서 최소 상태(예: 최근 8개 블록)의 4.8 MB 데이터 다운로드를 전제로, 초기 노드 동기화 시간이 약 19초로 단축된다.
• 시스템은 다양한 스토리지 트레이드오프를 지원하며, 노드가 0에서 전체 블록체인 스토리지까지의 기여를 선택할 수 있으며, 검증 보안성에 영향을 주지 않는다.
• 이 접근법은 기반 합의 알고리즘과 독립적이며, 거래에 상태 요소에 대한 증명을 포함시킴으로써 스마트 컨트랙트 거래를 지원한다.
• 인증된 데이터 구조와 시간 기반 윈도우 내에서의 증명 유효성 검사를 통해 보안이 유지되며, 오직 최근의 유효한 증명들만 수락된다.
• 체크포인트 블록의 사용은 접속 끊김 후 안전한 재동기화를 가능하게 하며, 재연결 시 이클립스 공격 위험을 완화한다.
• DHT 쿼리로 인해 송신자 오버헤드가 증가하지만, 고처리량 환경에서는 병렬 처리와 캐싱을 통해 보완 가능하다.