[논문 리뷰] Consensus Algorithms of Distributed Ledger Technology -- A Comprehensive Analysis

Ahmad J. Alkhodair, Saraju P. Mohanty외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 23.

Blockchain Technology Applications and SecurityComputer Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 분산장부기술(DLT)에서 사용되는 30개의 합의 알고리즘에 대한 종합적인 분석을 제시하며, 보안, 확장성, 에너지 효율성과 같은 11개의 속성에 따라 평가한다. 성능, 보안, 탈중앙화성 간의 균형을 고려할 때, Cyber-Physical Systems(CPS)에 가장 적합한 후보로 PPoS(Algorand), NPoS(Polkadot), Ouroboros(Cardano), DPoS(EOS), Avalanche가 지목된다.

ABSTRACT

The most essential component of every Distributed Ledger Technology (DLT) is the Consensus Algorithm (CA), which enables users to reach a consensus in a decentralized and distributed manner. Numerous CA exist, but their viability for particular applications varies, making their trade-offs a crucial factor to consider when implementing DLT in a specific field. This article provided a comprehensive analysis of the various consensus algorithms used in distributed ledger technologies (DLT) and blockchain networks. We cover an extensive array of thirty consensus algorithms. Eleven attributes including hardware requirements, pre-trust level, tolerance level, and more, were used to generate a series of comparison tables evaluating these consensus algorithms. In addition, we discuss DLT classifications, the categories of certain consensus algorithms, and provide examples of authentication-focused and data-storage-focused DLTs. In addition, we analyze the pros and cons of particular consensus algorithms, such as Nominated Proof of Stake (NPoS), Bonded Proof of Stake (BPoS), and Avalanche. In conclusion, we discuss the applicability of these consensus algorithms to various Cyber Physical System (CPS) use cases, including supply chain management, intelligent transportation systems, and smart healthcare.

연구 동기 및 목표

• 분산장부기술(DLT) 및 블록체인 네트워크에서 사용되는 30개의 합의 알고리즘을 체계적으로 평가하고 비교하는 것.
• 보안, 확장성, 에너지 효율성과 같은 핵심 속성 간의 트레이드오프를 분석하여 Cyber-Physical Systems(CPS)에 가장 적합한 합의 알고리즘을 규명하는 것.
• 블록체인, DAG, BFT 기반 설계 등의 기반 레저 구조에 따라 합의 메커니즘을 체계적으로 비교하는 것.
• 공급망 관리, 스마트 헬스케어, 지능형 교통 시스템과 같은 실제 CPS 응용 분야에 합의 알고리즘이 어떻게 적용 가능한지 평가하는 것.
• 미션 크리티컬한 탈중앙화 환경에 구현할 경우, NPoS, DPoS, Avalanche, Hashgraph와 같은 주요 알고리즘의 강점과 한계에 대한 통찰을 제공하는 것.

제안 방법

• 연구는 하드웨어 요구사항, 사전 신뢰 수준, 내성 수준, 보안, 확장성, 탈중앙화성, 에너지 효율성, 성능, 지연, 최종성, 복잡성 등의 11개 속성에 따라 30개의 합의 알고리즘을 평가한다.
• 합의 알고리즘은 레저 구조에 따라 분류된다: 블록체인 기반(PoW, PoS, DPoS), DAG 기반(Tangle, Avalanche), BFT 기반(Tendermint, Ouroboros).
• 저자들은 각 알고리즘의 운영 메커니즘을 분석하며, 검증자 선정 방식(예: PPoS의 랜덤 선택, NPoS의 스테이킹 기반 선택, PoET의 리더 기반 선택)과 합의 메커니즘(예: Hashgraph의 가상 투표, Avalanche의 확률적 샘플링)을 포함한다.
• 비교 표(Table XLVII)는 CPS에 적합한 순서로 상위 10개의 합의 알고리즘을 순위 매기며, 각 구현의 장단점을 요약한다.
• 실제 구현 사례로 Algorand(PPoS), Polkadot(NPoS), Cardano(Ouroboros), Cosmos(Tendermint), IOTA(Tangle)를 포함한다.
• 연구는 CPS 환경에서의 실질적 구현 제약 조건을 고려하여 다차원 평가 프레임워크를 사용해 트레이드오프를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cyber-Physical Systems(CPS)에 있어 보안, 확장성, 에너지 효율성의 최적 균형을 보이는 합의 알고리즘은 무엇인가?
• RQ2 블록체인, DAG, BFT 등의 다른 레저 구조는 CPS 응용 분야에서 합의 알고리즘의 성능과 적합성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Proof-of-Stake 및 BFT 기반 합의 메커니즘에서 탈중앙화성, 최종성, 성능 간의 주요 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ4 PoET과 같은 하드웨어 의존형 알고리즘과 하드웨어 기반 보안 프rotocol는 엔터프라이즈 및 CPS 환경에서 공정성과 적용 가능성 측면에서 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ5 공급망 추적성, 스마트 헬스케어, 탈중앙화된 에너지 거래와 같은 특정 CPS 응용 분야에 가장 적합한 합의 알고리즘은 무엇인가?

주요 결과

• PPoS(Algorand)는 높은 보안성과 에너지 효율성을 제공하지만, 복잡한 암호화 연산으로 인해 확장성 문제를 겪는다.
• NPoS(Polkadot)는 강력한 확장성과 크로스체인 상호운용성을 제공하지만, 복잡한 노미네이션 및 거버넌스 구조로 인해 중앙집중화 위험이 존재한다.
• Ouroboros(Cardano)는 증명 가능하게 안전한 스테이킹 기반 합의를 통해 강력한 보안성과 유연성을 제공하지만, 잠재적인 지연과 프로토콜의 복잡성 문제를 야기한다.
• DPoS(EOS, Bitshares)는 높은 성능과 낮은 에너지 소비를 달성하지만, 소수의 선출된 딜레게이트에 의존함으로써 중앙집중화 및 유권자 무관심에 취약하다.
• Avalanche는 확률적 합의와 서브넷을 통해 높은 확장성과 견고한 보안성을 제공하지만, 장기적 안정성은 입증되지 않았고 검증자 선정 과정이 복잡하다.
• PoA(VeChain, POA Network)와 PoET(Hyperledger Sawtooth)는 예측 가능한 성능과 낮은 에너지 소비를 제공하지만 탈중앙화성을 희생하고 신뢰할 수 있는 기관이나 특정 하드웨어에 의존하여, 보다 넓은 CPS 도입에 제한을 받는다.