[논문 리뷰] Boost Blockchain Broadcast Propagation with Tree Routing

Jia Kan, Lingyi Zou외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 30.

Caching and Content Delivery참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 트리 기반 라우팅 모델과 클러스터 중복성을 도입하여 블록체인 브로드캐스트 전파를 가속화하고 부정확한 트래픽을 줄이는 것을 제안한다. 고장 내성 클러스터를 갖춘 계층적 트리로 노드를 구성함으로써, 기존의 게이시프로토콜보다 더 빠른 수렴 속도를 달성하면서도 메시지 중복을 최소화하고 P2P 블록체인 네트워크의 네트워크 효율성을 향상시킨다.

ABSTRACT

In recent years, with the rapid development and popularization of BitCoin, the research of blockchain technology has also shown growth. It has gradually become a new generation of distributed, non-centralized and trust-based technology solution. However, the blockchain operation is expensive and transaction is delayed. Take BitCoin as an example. On the one hand, a block is produced every ten minute. On the other hand, once the new block is generated, it takes a certain time to propagate world wide. The slow speed of propagation determines that BitCoin can not use too small block interval time. Ethereum also faces similar problems, so the concept of uncle block was introduced to reduce blockchain forks. This paper introduces a new tree structure based broadcast propagation routing model, providing a novel method to organize network nodes and message propagation mechanism. In oder to avoid the single node failure problem, the tree cluster routing is proposed. The research shows that the tree based routing can accelerate broadcast convergence time and reduce redundant traffic.

연구 동기 및 목표

• 기존의 게이시프로토콜을 사용할 경우 느린 브로드캐스트 전파와 높은 중복성 문제를 해결하기 위해.
• 대규모 블록체인 네트워크에서 수렴 속도를 향상시키고 대역폭 낭비를 줄이기 위해.
• 트리 기반 라우팅에서의 단일 장애점 취약성을 클러스터 중복성으로 보완하기 위해.
• 블록체인 시스템을 위한 확장 가능하고 효율적이며 신뢰할 수 있는 브로드캐스트 메커니즘을 설계하기 위해.

제안 방법

• 구조화된 메시지 전파를 위해 블록체인 노드를 계층적 트리로 구성하는 것.
• 노드를 3개 이상의 클러스터로 묶어 클러스터 중복성을 구현함으로써, 각 노드가 동일 클러스터 내의 피어에게 메시지를 포워딩하도록 하는 것.
• 이미 수신한 메시지를 다시 포워딩하지 않도록 함으로써 브로드캐스트 스톰을 방지하기 위해 메시지 ID 추적을 사용하는 것.
• 직접 부모-자식 링크가 느리거나 장애가 발생했을 경우 클러스터 피어를 통해 메시지를 라우팅할 수 있도록 다중 경로 라우팅을 허용하는 것.
• 게이시프로토콜의 신뢰성과 트리 기반 라우팅의 효율성을 조합하여 네트워크 성능을 최적화하는 것.
• 시뮬레이션을 통해 모델을 평가하고 표준 게이시프로토콜과 수렴 속도 및 트래픽 효율성에서 비교 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 중복 메시지 트래픽을 최소화하면서도 블록체인 브로드캐스트 전파 속도를 가속화할 수 있는가?
• RQ2 블록체인 네트워크에서 게이시프로토콜과 트리 기반 라우팅 간의 성능 상충 관계는 어떠한가?
• RQ3 클러스터 중복성이 트리 기반 브로드캐스트 네트워크에서 단일 노드 장애 문제를 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ4 기존의 게이시 기반 전파 방식에 비해 클러스터링을 적용한 트리 기반 라우팅이 수렴 속도와 네트워크 효율성에서 얼마나 향상되는가?

주요 결과

• 트리 기반 라우팅 모델은 비중복적인 메시지 포워딩을 통해 게이시프로토콜보다 더 빠른 수렴을 달성한다.
• 클러스터 중복성은 단일 노드 장애로 인한 메시지 전파 실패를 효과적으로 방지하여 네트워크 신뢰성을 향상시킨다.
• 메시지 ID 추적은 중복된 메시지 포워딩을 제거함으로써 브로드캐스트 스톰을 성공적으로 방지한다.
• 게이시프로토콜이 반복적인 노드 접촉으로 인해 과도하게 트래픽을 소비하는 데 비해, 이 모델은 전체 네트워크 트래픽과 대역폭 사용량을 줄였다.
• 이deal 조건에서 트리 기반 모델은 게이시프로토콜보다 더 적은 사이클 내에 100% 수렴에 도달하며, 각 사이클당 2^N - 1개의 노드가 영향을 받는다.
• 하이브리드 접근 방식은 게이시프로토콜의 강건성과 트리 라우팅의 효율성을 조합하여 고성능 블록체인 네트워크에 대한 확장 가능한 솔루션을 제공한다.