[논문 리뷰] Building Blocks of Sharding Blockchain Systems: Concepts, Approaches, and Open Problems

Yizhong Liu, Jianwei Liu외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 26.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 분할 시스템을 일곱 핵심 구성 요소—노드 선택, 에포크 무작위성, 노드 할당, 인라인 샤드 합의, 크로스 샤드 거래 처리, 샤드 재구성, 동기 메커니즘—으로 체계적으로 모듈화하여 제시하며, 보다 높은 보안성과 성능을 확보한 분할 블록체인 시스템의 분석, 설계, 개선을 위한 개념적 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Sharding is the prevalent approach to breaking the trilemma of simultaneously achieving decentralization, security, and scalability in traditional blockchain systems, which are implemented as replicated state machines relying on atomic broadcast for consensus on an immutable chain of valid transactions. Sharding is to be understood broadly as techniques for dynamically partitioning nodes in a blockchain system into subsets (shards) that perform storage, communication, and computation tasks without fine-grained synchronization with each other. Despite much recent research on sharding blockchains, much remains to be explored in the design space of these systems. Towards that aim, we conduct a systematic analysis of existing sharding blockchain systems and derive a conceptual decomposition of their architecture into functional components and the underlying assumptions about system models and attackers they are built on. The functional components identified are node selection, epoch randomness, node assignment, intra-shard consensus, cross-shard transaction processing, shard reconfiguration, and motivation mechanism. We describe interfaces, functionality, and properties of each component and show how they compose into a sharding blockchain system. For each component, we systematically review existing approaches, identify potential and open problems, and propose future research directions. We focus on potential security attacks and performance problems, including system throughput and latency concerns such as confirmation delays. We believe our modular architectural decomposition and in-depth analysis of each component, based on a comprehensive literature study, provides a systematic basis for conceptualizing state-of-the-art sharding blockchain systems, proving or improving security and performance properties of components, and developing new sharding blockchain system designs.

연구 동기 및 목표

• 탈중앙화, 보안성, 확장성의 블록체인 트라이레마를 해결하기 위해 분할 기법을 핵심 아키텍처 솔루션으로 분석한다.
• 분할 블록체인 시스템을 잘 정의된 인터페이스와 성질을 가진 모듈화된 기능적 구성 요소로 분해하고, 이를 공식적으로 정의한다.
• 각 구성 요소에 대한 기존 접근 방식에 대한 포괄적인 분류 체계를 제공하며, 열린 문제점과 연구 격차를 부각시킨다.
• 분할 설계에서 확인 지연 및 처리량 제한 등의 보안 위협과 성능 병목 현상 분석한다.
• 구성 요소 수준의 개선 및 시스템 수준의 조합을 위한 구체적인 열린 문제점과 연구 방향을 제안함으로써 향후 연구를 이끌어낸다.

제안 방법

• 150개 이상의 분할 블록체인 시스템에 대한 체계적 문헌 조사를 수행하여 설계 패턴과 아키텍처 원칙을 추출하고 분류한다.
• 각각의 역할, 인터페이스, 필수 성질이 명시된 일곱 개의 기능적 구성 요소로 모듈화된 아키텍처 분해를 제안한다.
• 통일된 개념적 프레임워크를 사용해 각 구성 요소를 분석하며, 시스템 모델과 공격자 능력에 대한 가정을 규명한다.
• 각 구성 요소에 대한 기존 접근 방식을 조사하며, 무작위성 및 할당을 위한 암호 기법, 합의 프로토콜, 크로스 샤드 조율 메커니즘을 포함한다.
• 구성 요소 수준의 보안성 및 성능 성질을 평가하며, 비잔티노스 장애 내성, 처리량, 지연 시간, 확인 지연 시간에 중점을 둔다.
• 구성 요소 수준의 분석을 통합하여 구성적 설계 방법론을 도입함으로써, 독립적인 최적화와 안전한 시스템 조합이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분할 블록체인 시스템을 구성하는 기본적인 기능적 구성 요소는 무엇이며, 이들 간의 상호작용 방식은 어떻게 되는가?
• RQ2 기존 접근 방식들(예: 노드 할당, 크로스 샤드 거래 처리 등)은 설계, 보안 가정, 성능 측면에서 어떻게 다름이 있는가?
• RQ3 현재 분할 설계에서 특히 보안성과 확인 지연 시간 측면에서 주요한 열린 문제점과 취약점은 무엇인가?
• RQ4 구성 요소 수준의 개선 사항들은 어떻게 안전하고 확장 가능한 종단 간 분할 블록체인 시스템으로 조합될 수 있는가?
• RQ5 분할 블록체인 시스템 분야의 최신 기술 수준을 향상시키기 위해 가장 유망한 향후 연구 방향은 무엇인가?

주요 결과

• 논문은 분할 블록체인 시스템에 필수적인 일곱 핵심 구성 요소를 식별하고 공식적으로 정의하며, 시스템 설계 및 분석를 위한 표준화된 개념적 프레임워크를 제공한다.
• 각 구성 요소(예: 에포크 무작위성, 크로스 샤드 거래 처리 등)는 보안성, 효율성, 장애 내성 측면에서 상이한 트레이드오프를 보이는 다양한 기존 접근 방식을 포함한다.
• 연구는 크로스 샤드 거래 처리 분야에서 뚜렷한 열린 문제점을 드러내며, 높은 확인 지연 시간과 악성 샤드 조율에 대한 취약성 등이 포함된다.
• 노드 할당 또는 무작위성 생성이 약한 경우, 샤드 장악 공격 및 시빌 공격 등의 보안 위험은 여전히 기존 설계에서 흔히 발생한다.
• 인터샤드 통신 및 최종성 지연 시간에서 발생하는 성능 병목 현상은 고처리량 분할 시스템에서도 주요 우려 사항이다.
• 모듈화된 분해 구조 덕분에 시스템 전반의 보안성을 해치지 않으면서도 구성 요소 수준의 독립적 개선이 가능하며, 향후 연구 및 개발을 위한 확장 가능한 길을 제공한다.