[논문 리뷰] Faithful Simulation of Randomized BFT Protocols on Block DAGs

Attiya, Hagit, Enea, Constantin외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 11.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 164인용 수 57

한 줄 요약

이 논문은 DAG 기반 블록체인 시스템에 대한 체계적인 분석을 제시하며, 여섯 가지의 고유한 설계 패턴을 식별하는 일반화된 이차원 모델을 제안한다. 이는 구조, 합의, 보안, 성능 및 특성 측면에서 이러한 시스템을 평가하며, 확장성과 고처리량 블록체인 아키텍처의 향후 연구 및 개발을 안내하는 종합적인 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Blockchain plays an important role in cryptocurrency markets and technology services. However, limitations on high latency and low scalability retard their adoptions and applications in classic designs. Reconstructed blockchain systems have been proposed to avoid the consumption of competitive transactions caused by linear sequenced blocks. These systems, instead, structure transactions/blocks in the form of Directed Acyclic Graph (DAG) and consequently re-build upper layer components including consensus, incentives, extit{etc.} The promise of DAG-based blockchain systems is to enable fast confirmation (complete transactions within million seconds) and high scalability (attach transactions in parallel) without significantly compromising security. However, this field still lacks systematic work that summarises the DAG technique. To bridge the gap, this Systematization of Knowledge (SoK) provides a comprehensive analysis of DAG-based blockchain systems. Through deconstructing open-sourced systems and reviewing academic researches, we conclude the main components and featured properties of systems, and provide the approach to establish a DAG. With this in hand, we analyze the security and performance of several leading systems, followed by discussions and comparisons with concurrent (scaling blockchain) techniques. We further identify open challenges to highlight the potentiality of DAG-based solutions and indicate their promising directions for future research.

연구 동기 및 목표

• DAG 기반 블록체인 시스템에 대한 체계적인 이해 부족, 특히 설계 패턴과 아키텍처적 트레이드오프에 초점을 맞춘다.
• 구조적 특성과 합의 메커니즘 기반으로 기존 DAG 기반 블록체인 시스템을 분류하는 통합 프레임워크를 제공한다.
• 기존 블록체인과 대안적 확장 기법과의 비교를 통해 DAG 기반 시스템의 성능, 보안 및 확장성 수준을 평가한다.
• 향후 DAG 기반 블록체인 설계 및 구현을 위한 열린 도전 과제와 연구 방향을 규명한다.
• DAG 의미론, 합의 메커니즘, 그리고 그래프 기반 레지스트리에서 블록의 역할에 대한 오해를 명확히 한다.

제안 방법

• 단위 유형과 토폴로지의 두 가지 핵심 차원을 사용하여 DAG 기반 블록체인 시스템을 추상화하는 이차원 수학적 모델을 제안한다.
• 두 차원을 조합하여 기존 시스템을 여섯 가지 유형으로 분류함으로써 실제 구현의 체계적 분류를 가능하게 한다.
• 합의 메커니즘을 블록/트랜잭션 선택, 투표, 최종성 결정 등의 구성 요소로 분해하여 비교 분석한다.
• 구조, 합의, 특성, 보안, 성능의 다섯 가지 차원에서 정성적 및 정량적 지표를 사용하여 시스템을 평가한다.
• DAG 기반 접근법을 샤딩, 레이어2, 하이브리드 합의 등 대안적 확장 기법과 비교하여 유일한 이점과 한계를 부각한다.
• 지원하는 스마트 컨트랙트, 최종성 보장, 탈중앙화성, 보안성, 확장성 간의 상호 트레이드오프 등 열린 연구 과제를 규명하고 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DAG 기반 블록체인 시스템의 기본적인 구조적 및 합의 설계 패턴은 무엇인가?
• RQ2 DAG 기반 시스템은 기존 선형 블록체인과 비교해 어떻게 더 높은 처리량과 더 빠른 확인 시간을 달성하는가?
• RQ3 다양한 네트워크 조건과 악성 모델 하에서 DAG 기반 시스템은 보안 보장을 얼마나 유지하는가?
• RQ4 탈중앙화성, 보안성, 확장성, 성능 간의 주요 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 DAG 기반 시스템은 스마트 컨트랙트와 상태 기반 애플리케이션을 네이티브로 지원할 수 있으며, 그에 따른 아키텍처적 장벽은 무엇인가?

주요 결과

• 저자들은 단위 유형과 토폴로지 기반의 이차원 분류 모델을 통해 DAG 기반 블록체인 시스템에서 여섯 가지의 고유한 설계 패턴을 식별한다.
• 선형 블록체인과 달리 DAG 기반 시스템은 병렬 트랜잭션 처리를 가능하게 하여 밀리초 이내의 빠른 확인 시간과 높은 처리량을 달성한다.
• 대부분의 DAG 시스템은 확장성과 성능을 향상시키지만, 엄격한 일致성 보장을 약화시켜 스마트 컨트랙트와 같은 상태 기반 애플리케이션을 위한 추가 메커니즘이 필요하다.
• Nakamoto 합의와 BFT 방식의 최종성의 조합을 포함하는 하이브리드 합의 접근법이 성능과 보안의 균형을 이루는 데 유망한 길로 부상하고 있다.
• 기존의 DAG 시스템은 아직 고처리량, 강력한 보안성, 스토리지 효율성을 동시에 달성하지 못하고 있어, 이는 여전히 열린 연구 과제로 남아 있다.
• 논문은 현재의 DAG 기반 블록체인 시스템이 탈중앙화성, 보안성, 확장성 간 이상적인 트레이드오프를 완전히 충족하지 못하고 있으며, 이는 향후 혁신의 핵심 분야로 지적한다.