[논문 리뷰] BlockSim-Net: A Network Based Blockchain Simulator

Nandini Agrawal, R Prashanthi외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 06.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 4

한 줄 요약

BlockSim-Net는 프로토콜 기반 블록체인의 전파 지연과 분산 동역학을 현실적으로 모델링하기 위해 설계된 고성능 네트워크 기반 블록체인 시뮬레이터입니다. 여러 노드를 통해 분산된 네트워크 환경을 시뮬레이션함으로써, 블록체인의 실제 네트워크 복잡성을 반영하지 못하는 단일 CPU 기반 시뮬레이터인 BlockSim보다 자가 채굴 공격 및 방어 조치의 정확한 평가를 가능하게 합니다.

ABSTRACT

Since its proposal by Eyal and Sirer (CACM '13), selfish mining attack on proof-of-work blockchains has been studied extensively in terms of both improving its impact and defending against it. Before any defense is deployed in a real world blockchain system, it needs to be tested for security and dependability. However, real blockchain systems are too complex to conduct any test on or benchmark the developed protocols. Some simulation environments have been proposed recently, such as BlockSim (Maher et al., '20). However, BlockSim is developed for the simulation of an entire network on a single CPU. Therefore, it is insufficient to capture the essence of a real blockchain network, as it is not distributed and the complications such as propagation delays that occur in reality cannot be simulated realistically enough. In this work, we propose BlockSim-Net, a simple, efficient, high performance, network-based blockchain simulator, to better reflect reality.

연구 동기 및 목표

• 단일 CPU에서 실행되는 기존 블록체인 시뮬레이터들이 전파 지연과 같은 실제 네트워크 동역학을 반영하지 못하는 한계를 해결하기 위해.
• 지연 및 메시지 전파 측면에서 실제 블록체인 네트워크의 행동을 반영하는 분산형 고성능 시뮬레이션 프레임워크를 개발하기 위해.
• 실제 블록체인 시스템에 구현하기 전에 자가 채굴 공격 및 방어 메커니즘의 현실적인 테스트를 가능하게 하기 위해.
• 이전 시뮬레이터에서 누락된 네트워크 수준의 복잡성을 모델링하여 블록체인 프로토콜 평가의 정밀도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• BlockSim-Net는 다수의 노드를 통해 피어 투 피어 블록체인 네트워크를 에뮬레이션하는 분산 시뮬레이션 프레임워크로 구현됩니다.
• 실제 네트워크 지연 특성을 반영하기 위해 구성 가능한 지연 분포를 사용하여 네트워크 전파 지연을 모델링합니다.
• 자기 채굴과 같은 공격 모델을 포함한 플러그인형 합의 알고리즘을 지원하여 악성 조건 하에서의 프로토콜 동작 평가를 가능하게 합니다.
• 메시지 전달 및 블록 전파를 효율적으로 관리하기 위해 이벤트 기반 시뮬레이션을 사용합니다.
• 가로 방향 확장이 가능하도록 아키텍처를 설계하여 분산 컴퓨팅 자원에서 대규모 네트워크 시뮬레이션을 지원합니다.
• 기존 블록체인 프로토콜과 통합 가능하며, 사용자 정의 가능한 네트워크 토폴로지와 노드 행동을 지원합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 네트워크 전파 지연을 포함할 경우, 자가 채굴 공격의 성공률은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ2 BlockSim-Net과 같은 분산 시뮬레이션 프레임워크는 단일 CPU 기반 시뮬레이터에 비해 블록체인 네트워크의 동역학을 얼마나 더 잘 반영할 수 있는가?
• RQ3 다양한 네트워크 토폴로지와 지연 분포는 합의 프로토콜의 성능과 보안에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 BlockSim-Net은 자가 채굴 공격에 대한 방어 메커니즘을 효과적으로 시뮬레이션하고 평가할 수 있는가?

주요 결과

• BlockSim-Net은 단일 CPU 기반 시뮬레이터인 BlockSim이 정확히 모델링하지 못하는 전파 지연과 블록 전파에 미치는 영향을 성공적으로 반영합니다.
• 이 시뮬레이터를 통해 자가 채굴 공격의 현실적인 평가가 가능해졌으며, 네트워크 지연이 공격 성공률에 상당한 영향을 미친다는 것이 확인되었습니다.
• 분산된 네트워크 환경을 시뮬레이션함으로써 BlockSim-Net은 중앙집중식 모델이 예측하는 것보다 전파 지연이 자가 채굴의 효과를 더욱 증폭시킬 수 있음을 드러냈습니다.
• 이 프레임워크는 높은 성능과 확장성을 입증하여 복잡한 블록체인 프로토콜 테스트에 필수적인 대규모 시뮬레이션을 지원합니다.