[논문 리뷰] Blockclique: scaling blockchains through transaction sharding in a multithreaded block graph

Sébastien Forestier, Vodenicarevic, Damir외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 24.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 22인용 수 15

한 줄 요약

Blockclique는 블록체인의 처리량을 확장하기 위해 T개의 병렬 스레드에 거래를 샤딩하는 다중스레드 블록 DAG 아키텍처를 제안한다. 각 블록은 각 스레드에서 한 부모를 참조한다. 입력 주소 기반의 샤딩을 통해 거래 간의 호환성을 보장하고 나카모토 합의를 확장함으로써, 현실적인 네트워크 조건에서 10,000건 이상의 거래를 초당 처리할 수 있으며, 스테일 블록 비율도 낮게 유지한다.

ABSTRACT

Decentralized crypto-currencies based on the blockchain architecture under-utilize available network bandwidth, making them unable to scale to thousands of transactions per second. We define the Blockclique architecture, that addresses this limitation by sharding transactions in a block graph with a fixed number of threads. The architecture allows the creation of intrinsically compatible blocks in parallel, where each block references one previous block of each thread. The consistency of the Blockclique protocol is formally established in presence of attackers. An experimental evaluation of the architecture's performance in large realistic networks demonstrates an efficient use of available bandwidth and a throughput of thousands of transactions per second.

연구 동기 및 목표

• 기존 블록체인이 네트워크 대역폭을 효율적으로 활용하지 못해, 가용 용량이 있음에도 불구하고 처리량이 약 5 tx/s로 제한되는 문제를 해결한다.
• 단일 체인 블록체인의 확장성 한계를 극복하기 위해 일관성과 보안을 희생시키지 않고도 병렬 블록 생성을 가능하게 한다.
• 모든 거래를 완전히 검증할 수 있는 분산형 블록체인 아키텍처를 설계하여, 거래 샤딩을 통해 고처리량을 달성한다.
• 공격자가 전체 네트워크 자원의 최대 45%를 제어하는 조건에서도 프로토콜 일관성을 공식적으로 증명함으로써 보안을 확보한다.
• 나카모토 합의의 자연스러운 확장 — 다중스레드 블록 그래프를 통한 구조 — 가 네트워크 대역폭을 효율적으로 활용하고 대규모 네트워크에서 고처리량을 달성할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 각 블록이 T개의 스레드에서 각각 한 부모 블록을 참조하는 다중스레드 블록 DAG 데이터 구조를 도입함으로써, 스레드 간 의존성으로 인해 전역 일관성을 확보한다.
• 입력 주소 할당 기반의 거래 샤딩을 구현함: 거래는 입력 UTXO의 주소에 따라 스레드에 할당되며, 이로 인해 서로 다른 스레드의 블록 간에 본질적으로 호환성이 보장된다.
• 나카모토 합의를 다중스레드 DAG에 확장함: 모든 스레드의 누적 작업량이 가장 높은 체인을 우선시함으로써 보안성과 최종성 특성을 유지한다.
• 고정된 블록 생성 간격 t₀와 합의 대역폭 C_B를 사용해 네트워크 성능을 모델링하며, 블록 크기 S_B는 C_B와 t₀에 의해 결정된다.
• 모든 노드가 모든 스레드의 블록을 검증하고 처리함으로써, 부모 블록 참조 외에는 스레드 간 통신이 필요 없도록 한다.
• 공격 조건 하에서도 프로토콜의 일관성과 보안성을 공식적으로 증명하여, 공격자가 전체 네트워크 자원의 최대 45%를 제어하는 경우에도 저항력을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 스레드에서 병렬 블록 생성을 가능하게 하되 일관성을 훼손하지 않는 블록체인 아키텍처가 고처리량을 달성할 수 있는가?
• RQ2 어떻게 거래 샤딩을 설계할 수 있을까? 병렬로 생성된 블록 간에 본질적인 호환성이 보장되어야 하며, 이중 지급 위험을 제거할 수 있어야 한다.
• RQ3 스레드 간 부모 참조가 있는 다중스레드 DAG로 블록을 구조화함으로써, 분산형 블록체인에서 네트워크 대역폭을 얼마나 효율적으로 활용할 수 있는가?
• RQ4 실제 네트워크 조건(지연, 대역폭, 노드 수 등) 하에서 제안된 아키텍처로 최대 달성 가능한 합의 대역폭과 거래 처리량은 얼마인가?
• RQ5 공격자가 네트워크 자원의 최대 45%를 제어하는 조건에서도 프로토콜이 보안성과 일관성을 유지하는 방식은 무엇인가?

주요 결과

• Blockclique 아키텍처는 현실적인 대역폭과 지연 조건을 반영한 대규모 네트워크 시뮬레이션에서 초당 10,000건 이상의 거래 처리량을 달성한다.
• T=32개의 스레드, t₀=32초, C_B=12 Mb/s 조건에서 t₀=16초일 경우 확정 시간은 36초로 계산되며, t₀=64초일 경우 142초로 증가한다.
• 30%의 블록 손실(μ=0.3) 조건에서도 처리량은 8,070 tx/s로 높게 유지되어 네트워크 손실에 대한 강건성을 입증한다.
• C_B가 12 Mb/s로 설정된 경우, 최대 4,096개의 노드가 있는 네트워크에서도 스테일 블록 비율이 1% 이하로 유지되어 고부하 상황에서도 안정적인 합의를 보여준다.
• 저대역폭 환경(B=4 Mb/s)에서도 아키텍처는 최대 2 Mb/s의 합의 대역폭을 지원하며, 약 2,000 tx/s의 처리량을 제공한다.
• 대규모 고지연 네트워크에서도 가용 네트워크 자원을 효율적으로 활용하여, 노드 대역폭의 이론적 한계에 가까운 합의 대역폭을 달성한다.