[논문 리뷰] Consensus in the Age of Blockchains

Shehar Bano, Alberto Sonnino외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 10.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 83인용 수 188

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 합의 프로토콜(PoW, PoX 및 하이브리드)을 포괄적으로 조사하고 보안, 성능 및 설계를 비교하기 위한 평가 프레임워크를 제공합니다.

ABSTRACT

The blockchain initially gained traction in 2008 as the technology underlying bitcoin, but now has been employed in a diverse range of applications and created a global market worth over $150B as of 2017. What distinguishes blockchains from traditional distributed databases is the ability to operate in a decentralized setting without relying on a trusted third party. As such their core technical component is consensus: how to reach agreement among a group of nodes. This has been extensively studied already in the distributed systems community for closed systems, but its application to open blockchains has revitalized the field and led to a plethora of new designs. The inherent complexity of consensus protocols and their rapid and dramatic evolution makes it hard to contextualize the design landscape. We address this challenge by conducting a systematic and comprehensive study of blockchain consensus protocols. After first discussing key themes in classical consensus protocols, we describe: first protocols based on proof-of-work (PoW), second proof-of-X (PoX) protocols that replace PoW with more energy-efficient alternatives, and third hybrid protocols that are compositions or variations of classical consensus protocols. We develop a framework to evaluate their performance, security and design properties, and use it to systematize key themes in the protocol categories described above. This evaluation leads us to identify research gaps and challenges for the community to consider in future research endeavours.

연구 동기 및 목표

• 고전적 합의 및 블록체인 특화 합의를 조사하여 설계 선택을 맥락화한다.
• PoW에서 PoX 및 하이브리드 체계로의 진화를 맵핑한다.
• 합의 프로토콜의 보안, 성능 및 설계 속성을 평가하기 위한 통합 프레임워크를 개발한다.
• 블록체인 합의에서 향후 연구를 이끌기 위한 연구 격차와 도전 과제를 식별한다.

제안 방법

• PoW, PoX 및 하이브리드 합의 프로토콜에 대한 체계적 문헌 고찰.
• 핵심 메커니즘에 따라 프로토콜을 PoW, PoX 및 하이브리드로 분류한다.
• 보안(일관성, 검열 저항, DoS 저항), 성능(처리량, 확장성, 대기시간), 설계 고려사항에 초점을 맞춘 평가 프레임워크의 개발.
• 대표적 학술 및 신뢰할 수 있는 소스와 보조 시드 참고문헌에 기초한 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 합의의 핵심 설계 주제는 무엇이며 이것이 블록체인에 어떻게 적용되는가?
• RQ2 PoW, PoX 및 하이브리드 프로토콜은 보안, 성능 및 설계 속성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 향후 연구가 다루어야 할 블록체인 합의에서 어떤 격차와 도전 과제가 존재하는가?
• RQ4 공통 평가 프레임워크가 서로 다른 차원에서 다양한 합의 설계를 비교하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는가?

주요 결과

• 고전적 합의 개념이 개방형 블록체인 환경으로 확장되는 방식의 매핑을 제공한다.
• PoW, PoX 및 하이브리드 체계 전반에 걸친 보안, 성능 및 설계를 위한 공통 평가 프레임워크를 도입한다.
• 확장성, 에너지 사용 및 인센티브 정렬을 포함한 블록체인 합의의 광범위한 연구 격차와 실용적 도전 과제를 식별한다.
• 합의 접근 방식의 다양성과 엄격하고 표준화된 평가 모델의 필요성을 강조한다.