[논문 리뷰] Deconstructing the Blockchain to Approach Physical Limits

Vivek Bagaria, Sreeram Kannan외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 18.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 25인용 수 37

한 줄 요약

Prism는 나카모토의 블록체인을 핵심 기능으로 분해하여 물리적 한계에 가까이 다가가는 신규 작업증명 블록체인 프로토콜이다. 네트워크 용량 C에 도달할 때 최적의 처리량을 달성하고, 전파 지연 D에 비례하는 확인 지연 시간을 가지며, 대역폭-지연 곱 CD에 대해 지수적으로 작은 확인 오류 확률을 유지하면서도 50% 이하의 악성 해싱 파워 보안을 유지한다.

ABSTRACT

Transaction throughput, confirmation latency and confirmation reliability are fundamental performance measures of any blockchain system in addition to its security. In a decentralized setting, these measures are limited by two underlying physical network attributes: communication capacity and speed-of-light propagation delay. Existing systems operate far away from these physical limits. In this work we introduce Prism, a new proof-of-work blockchain protocol, which can achieve 1) security against up to 50% adversarial hashing power; 2) optimal throughput up to the capacity C of the network; 3) confirmation latency for honest transactions proportional to the propagation delay D, with confirmation error probability exponentially small in CD ; 4) eventual total ordering of all transactions. Our approach to the design of this protocol is based on deconstructing the blockchain into its basic functionalities and systematically scaling up these functionalities to approach their physical limits.

연구 동기 및 목표

• 통신 용량 C와 전파 지연 D와 같은 물리적 네트워크 제약 조건으로 인한 블록체인 프로토콜의 기본 성능 한계를 해결한다.
• 비트코인 유사 시스템에 내재된 확인 지연 시간과 오류 확률 간의 상충 관계를 극복한다.
• 최적의 처리량과 최소한의 확인 지연 시간을 달성하면서도 강력한 보안 보장을 유지하는 프로토콜을 설계한다.
• 블록 전파 및 합의와 같은 기본적인 블록체인 기능을 체계적으로 스케일링하여 물리적 한계에 가까이 다가선다.
• 최대 50% 해싱 파워를 가진 악성 공격자 조건에서도 최종적으로 거래의 순서를 보장한다.

제안 방법

• 나카모토의 블록체인을 원자적 기능으로 분해: 블록 생성, 전파, 합의.
• 네트워크 활용도를 극대화하고 지연 시간을 최소화하는 방식으로 블록을 전파하는 새로운 프로토콜 설계.
• 대역폭-지연 곱 기반 확인 규칙을 사용하여 CD에 대해 지수적으로 작은 확인 오류 확률을 보장한다.
• CD 비례로 실행 중인 확인 투표 수에 따라 동적 확인 메커니즘을 구현한다.
• 확인 지연 시간을 D(빛의 속도 지연)로 최소화하기 위한 신규 블록 구조와 전파 전략을 도입한다.
• 균형 잡힌 공격 및 콜드체인 공격과 같은 악성 행동에 대한 확률적 분석을 적용하여 보안 및 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인 처리량과 확인 지연 시간에 대한 기본 물리적 한계는 무엇인가?
• RQ2 네트워크 용량 C에 도달할 때까지 최적의 처리량을 달성하면서도 낮은 확인 지연 시간을 유지할 수 있는 블록체인 프로토콜가 존재하는가?
• RQ3 대역폭-지연 곱 CD에 대해 확인 오류 확률을 어떻게 지수적으로 작게 만들 수 있는가?
• RQ4 물리적 한계에 가까이 다가가면서도 50% 이하의 악성 해싱 파워 보안을 유지할 수 있는가?
• RQ5 균형 잡힌 공격 및 콜드체인 공격과 같은 능동적 악성 공격 조건에서 프로토콜의 성능은 어떻게 되는가?

주요 결과

• Prism는 네트워크 용량 C까지 최적의 거래 처리량을 달성하여 이론적 상한선에 가까워진다.
• 확인 지연 시간은 전파 지연 D에 비례하여 물리적 지연 하한선을 달성한다.
• 확인 오류 확률은 대역폭-지연 곱 CD에 대해 지수적으로 작아지며, 낮은 지연 시간에서도 강력한 신뢰성을 보장한다.
• 최대 50% 해싱 파워를 가진 악성 공격 조건에서도 Prism는 낮은 지연 시간과 높은 신뢰성을 유지하며 비트코인의 최장 체인 프로토콜을 능가한다.
• 주어진 확인 신뢰도 ε에 대해 Prism의 지연 시간은 ε이 감소함에 따라 거의 일정하지만, 비트코인의 지연 시간은 크게 증가한다.
• 시뮬레이션 결과에 따르면, 특히 높은 신뢰도 요구 조건(예: ε = e⁻²⁰)에서 Prism의 이중-spent 거래 확인 지연 시간은 비트코인보다 낮게 유지된다.