[논문 리뷰] Dynamic Distributed Storage for Scaling Blockchains

Ravi Kiran Raman, Lav R. Varshney|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 21.

Caching and Content Delivery인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 기밀 공유와 암호화를 사용하여 블록체인 스토리지 비용을 줄이기 위한 동적 분산 스토리지 기법을 제안한다. 거래 데이터의 조각만을 노드 간에 분산 저장함으로써 정보 이론적 보안을 달성한다. 이 기법은 노드당 스토리지 용량을 원래 크기의 일부로 줄이며, 계산 비용이 큰 마이닝을 제거함으로써 에너지 소비를 감소시키고, 동적 존 할당 및 일致성 검사 기반으로 데이터 무결성을 향상시킨다.

ABSTRACT

Blockchain uses the idea of storing transaction data in the form of a distributed ledger wherein each node in the network stores a current copy of the sequence of transactions in the form of a hash chain. This requirement of storing the entire ledger incurs a high storage cost that grows undesirably large for high transaction rates and large networks. In this work we use the ideas of secret key sharing, private key encryption, and distributed storage to design a coding scheme such that each node stores only a part of the entire transaction thereby reducing the storage cost to a fraction of its original cost. When further using dynamic zone allocation, we show the coding scheme can also improve the integrity of the transaction data in the network over current schemes. Further, block validation (bitcoin mining) consumes a significant amount of energy as it is necessary to determine a hash value satisfying a specific set of constraints; we show that using dynamic distributed storage reduces these energy costs.

연구 동기 및 목표

• 모든 노드가 전체 레지스트리 전체를 저장해야 하는 요구로 인한 블록체인 스토리지 비용의 지속 불가능한 증가를 해결한다.
• 비트코인 유사 블록체인에서 작업 증명에 관련된 에너지 소비를 줄인다.
• 계산의 난이도 가정에 의존하지 않고도 데이터 무결성과 기밀성을 향상시킨다.
• 고용량 트랜잭션 처리 상황에서도 보안과 효율성을 유지하는 확장성 있고 동적인 스토리지 아키텍처를 설계한다.
• 커버리지와 복구 최적화를 위한 존 할당 전략을 통해 실용적 구현을 가능하게 한다.

제안 방법

• 정보 이론적 기반 기밀 공유를 사용해 거래 데이터를 여러 노드에 분할 저장한다.
• 기밀성 확보를 위해 개인 키 암호화를 적용한다.
• 완전 그래프를 매칭으로 분해하는 방식의 동적 존 할당 전략을 구현하여 최적의 커버리지와 무결성을 확보한다.
• 기존의 작업 증명을 가벼운 해싱과 일치성 검사로 대체하여 계산 비용을 감소시킨다.
• 복구 비용을 비트코인의 브루트 포스 방식과 비교해 감소시킬 수 있음을 보여주기 위해, 다시 사용하지 않는 표본 추출을 사용해 유효한 해시 값 도달에 필요한 시도 횟수의 기대값을 모델링한다.
• 일치성 검사와 블랙박스 인코딩/디코딩을 통해 피어가 다른 이의 코드 조각을 학습하는 것을 방지함으로써 보안을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기밀 공유와 암호화를 사용해 거래 데이터를 노드 간에 분산 저장함으로써 블록체인 스토리지 비용을 줄일 수 있는가?
• RQ2 계산 비용이 큰 작업 증명에 의존하지 않고도 분산 스토리지 모델에서 데이터 무결성을 유지할 수 있는가?
• RQ3 분산 블록체인 스토리지 시스템에서 커버리지와 복구 효율성을 최적화하는 동적 존 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 작업 증명을 코드 기반 기법으로 대체함으로써 에너지 소비를 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ5 제안된 기법에서 손실된 데이터 조각의 확률적 복구를 위해 필요한 필수 조건과 충분 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 기법은 노드당 스토리지 비용을 원래 크기의 일부로 줄이며, 스토리지 비용은 p' << p 일 때 O(p/p') 비율로 증가한다. 여기서 p는 총 공유 수이다.
• 이 기법은 계산 난이도 가정에 의존하지 않는 정보 이론적 보안을 달성한다.
• 작업 증명을 가벼운 해싱과 일치성 검사로 대체함으로써 에너지 소비가 크게 감소한다.
• 완전 그래프를 매칭으로 분해하는 방식의 동적 존 할당 전략은 순서 최적의 커버리지 시간을 달성한다.
• 확률적 복구 분석 결과, 신뢰할 수 있는 데이터 재구성에 순서 최적의 존 크기만 필요하다.
• 지역 복구가 불가능하여 전체 코드 재계산이 필요하므로, 기존 시스템보다 복구 및 수리 비용이 더 높다.