[논문 리뷰] Brief Announcement: Grassroots Distributed Systems: Concept, Examples, Implementation and Applications

Ehud Shapiro|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Distributed systems and fault tolerance인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 연결되었을 때 상호작용할 수 있는 자율적이고 독립적으로 배포 가능한 공동체를 허용하는 탈중앙화되고 피어 투 피어 아키텍처인 그라스트랩 분산 시스템을 소개한다. 블록레이스(블록체인의 부분 순서 일반화)를 사용하여 그라스트랩 확산을 공식화하고 비동기적, 이동 가능한 환경에서의 정확성을 입증함으로써, 제3자에 의한 통제나 감시 없이도 검열에 강건하고 사용자가 소유하는 디지털 사회 및 경제 시스템을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Informally, a distributed system is grassroots if it is permissionless and can have autonomous, independently-deployed instances - geographically and over time - that may interoperate voluntarily once interconnected. More formally, in a grassroots system the set of all correct behaviors of a set of agents P is strictly included in the set of the correct behaviors of P when they are embedded within a larger set of agents P' ⊃ P. Grassroots systems are potentially important as they may allow communities to conduct their social, economic, civic, and political lives in the digital realm solely using their members' networked computing devices (e.g., smartphones), free of third-party control, surveillance, manipulation, coercion, or rent seeking (e.g., by global digital platforms such as Facebook or Bitcoin). Client-server/cloud computing systems are not grassroots, and neither are systems designed to have a single global instance (Bitcoin/Ethereum with hardwired seed miners/bootnodes), and systems that rely on a single global data structure (IPFS, DHTs). An example grassroots system would be a serverless smartphone-based social network supporting multiple independently-budding communities that can merge when a member of one community becomes also a member of another. Here, we formalize the notion of grassroots distributed systems; describe a grassroots dissemination protocol for the model of asynchrony and argue its safety, liveness, and being grassroots; extend the implementation to mobile (address-changing) devices that communicate via an unreliable network (e.g. smartphones using UDP); and discuss how grassroots dissemination can realize grassroots social networking and grassroots cryptocurrencies. The mathematical construction employs distributed multiagent transition systems to define the notions of grassroots protocols, to specify the grassroots dissemination protocols, and to prove their correctness. The protocols use the blocklace - a distributed, partially-ordered counterpart of the replicated, totally-ordered blockchain.

연구 동기 및 목표

• 자율적이고 독립적으로 배포 가능한 공동체를 지원하는 분산 아키텍처로서의 그라스트랩 시스템을 공식화하는 것.
• 비동기적, 고장이 발생할 수 있는 네트워크를 위한 그라스트랩 확산 프로토콜을 설계하고 정확성을 입증하는 것.
• 중앙 집중형 플랫폼이나 글로벌 조율에 의존하지 않는 실용적 응용 분야, 예를 들어 그라스트랩 소셜 네트워킹과 통화를 가능하게 하는 것.
• 주소가 변경되는 이동 장치를 지원하기 위해 프로토콜을 이동성에 맞게 확장하는 것.

제안 방법

• 부분적 연결 조건 하에서 정확한 동작을 정의하기 위해 분산 다중에이전트 전이 시스템을 사용하여 그라스트랩 시스템을 공식화한다.
• 블록체인을 비동기적, 피어 투 피어 확산을 위해 일반화한 분산된 부분 순서 데이터 구조인 블록레이스를 도입한다.
• 모든 에이전트 간의 통신이 필요로 하지 않는, 에이전트들이 메시지를 확산할 수 있도록 하는 친절한 확산 프로토콜을 설계한다.
• 비동기성 조건 하에서 프로토콜의 정확성을 입증하고, UDP 기반의 신뢰성 없는 통신을 사용하여 이동 장치 지원을 확장한다.
• 에이전트가 신뢰할 수 있는 피어로부터 온 메시지만을 확산함으로써 통신 오버헤드를 줄이는 '친구 기반' 모델을 활용한다.
• 에코/정지 에코 메커니즘을 통해 그룹이나 금융 네트워크 내에서 에이전트의 동적 멤버십을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산 시스템은 연결되었을 때만 상호작용하는 다수의 독립적이고 자율적인 공동체를 어떻게 지원할 수 있는가?
• RQ2 글로벌 조율이 필요 없이, 네트워크의 일부로 통합되었을 때 프로토콜이 정확성을 유지하기 위한 공식 조건은 무엇인가?
• RQ3 비동기적, 고장이 발생할 수 있는, 이동 가능한 환경에서 메시지 확산을 효율적이고 정확하게 어떻게 구현할 수 있는가?
• RQ4 그라스트랩 확산은 중앙 집중형 신뢰나 인프라 없이도 탈중앙화된 소셜 네트워킹과 통화와 같은 실용적 응용을 지원할 수 있는가?
• RQ5 글로벌 데이터 구조 없이도 그라스트랩 시스템에서 개인정보 보호와 액세스 제어를 어떻게 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 블록레이스는 총순서가 필요 없이도 비동기적, 탈중앙화된 확산을 지원하는 정확한 부분 순서 일반화된 블록체인을 제공한다.
• 그라스트랩 확산 프로토콜은 외부 에이전트를 무시해도 무한정으로 정확하게 상호작용할 수 있도록 보장한다.
• 비동기성 조건 하에서 프로토콜의 정확성이 공식적으로 입증되었으며, 주소가 변경되는 이동 장치를 지원하기 위해 확장되었다.
• 그라스트랩 소셜 네트워크는 그룹 창립자가 친구들에게 메시지를 전파함으로써 그룹 내 통신을 가능하게 하며, 단일 메시지 스레드처럼 보이게 한다.
• 그라스트랩 통화는 코인 환전과 친구 기반 거래를 통해 구현되며, 프로토콜은 상호교환성과 신용 리스크 관리 기능을 지원한다.
• 사용자가 클라우드 제공자나 중앙 집중형 플랫폼에 의존하지 않고도 자신의 장치에서 완전히 운영할 수 있도록 디지털 주권을 실현한다.