[논문 리뷰] Building Scalable Decentralized Payment Systems

John R. Adler, Mikerah Quintyne-Collins|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 12.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 31인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 승인되지 않은 사이드 체인과 융합 합의를 통해 고속 거래 처리를 실현하면서도 부모 블록체인의 보안성과 탈중앙성을 유지하는 옵티미스틱 롤업 기반의 레이어-2 스케일링 솔루션을 제안한다. 신뢰 최소화된 자산 이전과 블록 전파 및 클라이언트 구현 최적화를 통해, 전체 노드의 자원 요구량을 늘리지 않고도 현재 블록체인의 한계를 초월하는 스케일링을 실현한다.

ABSTRACT

Increasing the transactional throughput of decentralized blockchains in a secure manner has been the holy grail of blockchain research for most of the past decade. This paper introduces a scheme for scaling blockchains while retaining virtually identical security and decentralization, colloquially known as optimistic rollup. We propose a layer-2 scaling technique using a permissionless side chain with merged consensus. The side chain only supports functionality to transact UTXOs and transfer funds to and from a parent chain in a trust-minimized manner. Optimized implementation and engineering of client code, along with improvements to block propagation efficiency versus currently deployed systems, allow use of this side chain to scale well beyond the capacities exhibited by contemporary blockchains without undue resource demands on full nodes.

연구 동기 및 목표

• 현재 3~15 TPS로 제한되는 탈중앙화 블록체인의 낮은 거래 처리량 문제를 해결하면서도 강력한 보안성과 탈중앙성을 유지하기 위해.
• 메인넷 프로토콜 변경 없이도 쉽게 배포하고 업그레이드할 수 있는 레이어-2 스케일링 솔루션을 설계하기 위해.
• 부모 체인과 사이드 체인 간의 자산 이전을 위한 신뢰 최소화된 상호운용성을 확보하기 위해.
• 클라이언트 코드와 블록 전파를 최적화하여 전체 노드의 자원 소모를 줄이기 위해.
• 연구 및 개발에서의 모호함을 줄이기 위해 신뢰성, 안전성, 지속성과 같은 핵심 블록체인 개념을 체계적으로 정의하기 위해.

제안 방법

• 허가되지 않은 사이드 체인을 사용하며, UTXO 거래만 지원하고 부모 체인으로의 신뢰 최소화된 자산 이전 기능을 제공한다.
• 융합 합의를 적용하여 사이드 체인이 부모 체인의 보안을 커밋 체인 기반으로 빌려 쓴다.
• 옵티미스틱 롤업 모델을 적용: 거래는 기본적으로 유효하다고 간주하며, 사기 증명 제출을 위한 도전 기간이 존재한다.
• 자산 이전을 위한 일방 또는 双방향 페그를 가능하게 하는 양도 기반(야킹) 기법을 사용하여 중개자에 대한 신뢰를 최소화한다.
• 클라이언트 구현과 블록 전파를 최적화하여 전체 노드의 지연과 자원 사용량을 감소시킨다.
• 암호학적 해시와 디지털 서명을 활용하여 다양한 체인 간의 데이터 무결성과 검증 가능성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이어-2 사이드 체인은 부모 체인의 프로토콜 변경 없이도 탈중앙성과 보안성을 희생시키지 않고 블록체인의 처리량을 확장할 수 있는가?
• RQ2 부모 체인과 사이드 체인 간의 신뢰 최소화된 크로스체인 자산 이전은 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 전체 노드의 부담을 늘리지 않고도 고처리량 사이드 체인을 실현하기 위해 필요한 엔지니어링 최적화는 무엇인가?
• RQ4 최소한의 가정으로 사이드 체인의 보안 모델을 체계적으로 정의하고 보장할 수 있는가?
• RQ5 블록 전파 효율성은 탈중앙 시스템에서 확장 가능하고 저지연 거래 처리를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 융합 합의를 적용한 제안된 사이드 체인은 비트코인과 이더리움과 같은 기존 블록체인을 뛰어나는 처리량을 달성하며, 부모 체인의 프로토콜 변경 없이도 가능하다.
• 커밋 체인 메커니즘을 통해 부모 체인의 보안을 빌려 써서 사이드 체인은 동일한 보안성과 탈중앙성 특성을 유지한다.
• 최적화된 클라이언트 코드와 블록 전파로 전체 노드의 자원 요구량이 감소하여 더 넓은 참여와 확장성을 가능하게 한다.
• 양도 기반 기법을 통해 사용자가 신뢰할 수 있는 중개자에 의존하지 않고도 자산을 체인 간 이전할 수 있도록 한다.
• 안전성, 지속성, 신뢰성의 체계적 정의는 향후 블록체인 시스템 평가에 엄격한 기반을 제공하며 의미의 혼동을 방지한다.
• 이전의 접근 방식인 플라즈마(예: 대량의 출금, 증명의 과다 증가)와 채널(예: 고정된 참가자 수, 항상 온라인 요구)의 단점을 피한다.