[논문 리뷰] Chain of Trust: Can Trusted Hardware Help Scaling Blockchains?

Hung Dang, Anh Dinh외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 02.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 35인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 신뢰할 수 있는 하드웨어를 활용하여 블록체인 합의 프로토콜의 확장성을 향상시키기 위해 두 가지 설계 원칙을 제안한다: '크기를 줄여서 확장하기'와 '합의 메시지 우선 처리하기'. 이러한 원칙은 네트워크가 커질수록 시스템 운영을 유지하면서도, Hyperledger Fabric에서는 최대 7배의 처리량 향상과 분할 아키텍처 프로토콜에서는 분할 생성 비용을 최대 32배 감소시킨다.

ABSTRACT

As blockchain systems proliferate, there remains an unresolved scalability problem of their underlying distributed consensus protocols. Byzantine Fault Tolerance (BFT) consensus protocols offer high transaction throughput, but can only support small networks. Proof-of-Work (PoW) consensus protocol, on the other hand, can support thousands of nodes, but at the expense of poor transaction throughput. Two potential approaches to address these scalability barriers are by relaxing the threat model, or by employing sharding technique to deal with large networks. Nonetheless, their effectiveness on data-intensive blockchain workloads remains to be seen. In this work, we study the use and effectiveness of trusted hardware on scaling distributed consensus protocols, and by their extension, blockchain systems. We first analyze existing approaches that harness trusted hardware to enhance scalability, and identify their limitations. Drawing insights from these results, we propose two design principles, namely scale up by scaling down and prioritize consensus messages, enabling the consensus protocols to scale. We illustrate the two principles by presenting optimizations that improve upon state-of-the-art solutions, and demonstrate via our extensive evaluations that they indeed offer better scalability. In particular, integrating our optimizations into Hyperledger Fabric achieves up to 7x higher throughput, while enabling the system to remain operational as the network expands. Another optimization that we introduce to Hyperledger Sawtooth allows the system to sustain high throughput as the network grows. Finally, our new design for sharding protocols reduces the cost of shard creation phase by up to 32x.

연구 동기 및 목표

• 블록체인 합의 프로토콜의 확장성 한계, 특히 네트워크 규모와 거래 처리량 사이의 상충 관계를 해결하기 위해.
• 신뢰할 수 있는 하드웨어가 비잔티노스 결함 내성(BFT) 및 작업 증명(PoW) 합의 프로토콜에서 확장성 향상에 효과적으로 기여할 수 있는지 조사하기 위해.
• 기존의 신뢰할 수 있는 하드웨어 기반 접근 방식의 한계를 규명하고, 향상된 확장성을 위한 설계 원칙을 도출하기 위해.
• 이러한 원칙을 활용해 기존의 블록체인 시스템인 Hyperledger Fabric과 Sawtooth를 최적화하여 더 높은 처리량과 확장성을 달성하기 위해.

제안 방법

• 두 가지 설계 원칙 도입: '크기를 줄여서 확장하기'로 노드당 오버헤드를 줄이고, '합의 메시지 우선 처리하기'로 메시지 처리 효율을 향상시킴.
• 이 원칙들을 Hyperledger Fabric에 적용하여 합의 메시지 처리 지연을 감소시키고 처리량을 증가시킴.
• 하드웨어로 보장하는 무결성과 기밀성 기반으로 분할 생성 비용을 최소화하는 신뢰할 수 있는 하드웨어 기반 분할 아키텍처 프로토콜 설계.
• 신뢰할 수 있는 실행 환경(TeE)을 사용해 메시지 우선 처리를 강제하고 합의 과정에서 개별 노드에 대한 신뢰도를 낮춤.
• 실세계 환경에서 다양한 네트워크 규모와 워크로드를 대상으로 제안된 최적화를 평가함.
• 최고 수준의 기존 솔루션과의 성능 비교를 통해 처리량 및 확장성 향상 정도를 정량화함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰할 수 있는 하드웨어는 BFT 및 PoW 합의 프로토콜에서 발생하는 확장성 저하 문제를 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 예를 들어 '크기를 줄여서 확장하기'와 '합의 메시지 우선 처리하기'와 같은 설계 원칙이 대규모 블록체인에서 합의 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 특히 분할 생성 단계에서, 신뢰할 수 있는 하드웨어는 분할 아키텍처 프로토콜의 오버헤드를 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 Hyperledger Fabric 및 Sawtooth와 같은 실제 블록체인 시스템에 이러한 하드웨어 최적화 설계를 적용했을 때 달성 가능한 성능 향상은 무엇인가?
• RQ5 네트워크 규모가 증가함에 따라 신뢰할 수 있는 하드웨어 통합이 시스템 가용성과 보안을 유지하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 제안된 최적화를 Hyperledger Fabric에 통합함으로써, 네트워크 규모가 증가하더라도 최대 7배 높은 거래 처리량을 달성했다.
• Hyperledger Sawtooth에 대한 최적화된 설계는 네트워크 규모가 증가함에 따라 높은 처리량을 유지했으며, 수평적 확장성 향상을 입증했다.
• 새로운 분할 아키텍처 프로토콜 설계로 기존 접근 방식 대비 분할 생성 단계 비용을 최대 32배 감소시켰다.
• 신뢰할 수 있는 하드웨어의 활용으로 더 효율적인 메시지 우선 처리가 가능해져 합의 지연을 감소시키고 처리량을 향상시켰다.
• 제안된 설계 원칙은 보안과 성능을 효과적으로 균형 잡아, 부하가 증가하는 상황에서도 시스템 운영을 유지했다.
• 평가 결과, 신뢰할 수 있는 하드웨어가 전통적인 합의 프로토콜의 한계를 넘어 블록체인 시스템의 확장성 향상에 핵심적인 역할을 할 수 있음을 확인했다.