[논문 리뷰] Consensus Mechanism Design based on Structured Directed Acyclic Graphs

Jiahao He, Guangju Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 09.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 보안성과 탈중앙성을 훼손하지 않으면서 블록체인 용량을 확장하기 위해 구조화된 방향성 비순환 그래프(DAG)를 사용하는 공존 기반 기반 메커니즘을 제안한다. 강하게 연결된 DAG 내에 나카모토 체인을 통합하고, 중복 처리 가능성을 최소화하는 거래 할당 방식을 적용함으로써, 시스템은 최대 1,179.6 테라피트스(초당 거래 수)의 성능을 달성하며, 총 지연 시간은 약 1,021초(17분)이며, 악성 해싱 파워가 30%일 경우 안전 지연 시간은 810초이다.

ABSTRACT

We introduce a structure for the directed acyclic graph (DAG) and a mechanism design based on that structure so that peers can reach consensus at large scale based on proof of work (PoW). We also design a mempool transaction assignment method based on the DAG structure to render negligible the probability that a transaction being processed by more than one miners. The result is a significant scale-up of the capacity without sacrificing security and decentralization.

연구 동기 및 목표

• 고도로 수요가 있는 상황에서도 초당 처리 가능한 거래 수(TPS)에 한계가 있는 블록체인 시스템의 확장성 문제를 해결하기 위해.
• 체인 기반 블록체인을 초월해 처리량을 증가시키면서도 강력한 보안성과 탈중앙성을 유지하기 위해.
• 거래 확인 지연 시간을 줄이고, 낮은 수수료 거래의 포함 공정성을 향상시키기 위해.
• 지속적인 블록 생성을 통해 채굴 풀 의존도를 낮추고 채굴 파워의 집중을 완화하기 위해.
• DAG 기반의 메모리 풀 할당 방식을 통해 거래가 여러 채굴자에 의해 동시에 처리될 가능성이 극히 낮아지도록 보장하기 위해.

제안 방법

• 증명의 작업(PoW)에서 유래한 보안 보장을 유지하기 위해 나카모토 체인을 통합한 구조화되고 강하게 연결된 DAG를 설계하기 위해.
• DAG의 구조를 기반으로 한 메모리 풀 거래 할당 방식을 사용하여, 한 거래가 한 명 이상의 채굴자에 의해 처리될 가능성을 최소화하기 위해.
• 지점 생성을 포아송 과정으로 모델링하고, 스토케스틱 태그 시스템(0 또는 1)을 사용하여 정상 또는 악성 블록 생성을 나타내기 위해.
• 포아송 도착률과 전송 지연을 기반으로, 장기적으로 태그 1(정상 블록 생성)이 부여된 지점의 비율을 추정하기 위한 확률 모델 적용하기 위해.
• 100만 개의 시뮬레이션 경로를 기반으로 장애 빈도를 시뮬레이션하여, 원하는 보안 수준(예: 10^-3 이하의 장애 빈도)을 확보하기 위한 필수 안전 지연 시간을 결정하기 위해.
• 총 지연 시간을 세 가지 구성 요소로 분해하기 위해: 대기 지연 시간(W₁), 감염 지연 시간(W₂), 안전 지연 시간(W₃), 각각 분석적 접근법과 시뮬레이션 기반 접근법을 사용하여 모델링하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DAG 기반 아키텍처는 나카모토 공존 기반 보장을 유지하면서 동시에 거래 처리의 병렬성을 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ2 PoW 기반의 DAG 기반 공존 기반 시스템에서 이론적으로 달성 가능한 최대 처리량은 얼마이며, 네트워크 파라미터에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 DAG 환경에서 거래 할당을 최적화하여 중복 처리 가능성을 최소화하고 효율성을 향상시킬 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 다양한 수준의 악성 해싱 파워 하에서 장애 발생 확률이 10^-3 이하가 되도록 하기 위해 필요한 안전 지연 시간은 얼마인가?
• RQ5 대기 지연, 감염 지연, 안전 지연 시간이 어떻게 조합되어 제안된 시스템에서 총 거래 확인 시간을 결정하는가?

주요 결과

• 1,000명의 정상 채굴자가 각각 초당 1.2개의 블록을 생성하고, 메모리 풀 할당 효율성이 98.3%일 경우, 이론적으로 달성 가능한 최대 처리량은 약 1,179.6 테라피트스(초당 거래 수)이다.
• 악성 채굴자가 전체 해싱 파워의 30%를 점유할 경우, 장애 발생 확률이 10^-3 이하가 되도록 하기 위해 810초의 안전 지연 시간이 필요하다.
• 총 거래 확인 지연 시간은 약 1,021초(17분 이상)이며, 이는 188초의 대기 지연 시간, 23초의 감염 지연 시간, 810초의 안전 지연 시간으로 구성되어 있다.
• 10%의 채굴자가 악성일 경우, 주어진 파라미터 하에서 장기 평균으로 태그 1(정상 블록 생성)이 부여된 지점의 비율은 약 92.8%로 추정된다.
• 시뮬레이션 결과에 따르면, 안전 지연 시간이 증가함에 따라 장애 빈도가 급격히 감소하며, 10%의 악성 파워일 경우 130초, 30%의 악성 파워일 경우 810초의 안전 지연 시간이 필요하여 장애 빈도를 10^-3 이하로 낮출 수 있다.
• 제안된 DAG 아키텍처는 블록 크기를 작게 유지하면서도 지속적인 블록 생성을 가능하게 하여 암호화 퍼즐의 난이도를 낮추고 네트워크 반응성을 향상시킨다.