[논문 리뷰] GHAST: Breaking Confirmation Delay Barrier in Nakamoto Consensus via Adaptive Weighted Blocks

Chenxing Li, Fan Long외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 01.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

GHAST는 나카모토 스타일의 합의에서 확인 지연을 크게 줄이는 트리 구조의 DAG와 적응형 블록 가중치를 사용하는 새로운 블록체인 합의 프로토콜이다. 동시에 블록 생성을 허용하고 가중치 기반 블록 선택을 활용함으로써, 동일 조건에서 99% 신뢰도로 확인을 O(d·log(1/ε)) 시간 내에 달성한다—비트코인의 6블록 확인보다 30배 빠르며, 계산 능력이 50% 미만인 공격자에 대해서도 보안을 유지한다.

ABSTRACT

Initiated from Nakamoto's Bitcoin system, blockchain technology has demonstrated great capability of building secure consensus among decentralized parties at Internet-scale, i.e., without relying on any centralized trusted party. Nowadays, blockchain systems find applications in various fields. But the performance is increasingly becoming a bottleneck, especially when permissionless participation is retained for full decentralization. In this work, we present a new consensus protocol named GHAST (Greedy Heaviest Adaptive Sub-Tree) which organizes blocks in a Tree-Graph structure (i.e., a directed acyclic graph (DAG) with a tree embedded) that allows fast and concurrent block generation. GHAST protocol simultaneously achieves a logarithmically bounded liveness guarantee and low confirmation latency. More specifically, for maximum latency $d$ and adversarial computing power bounded away from 50\%, GHAST guarantees confirmation with confidence $\ge 1-\varepsilon$ after a time period of $O(d\cdot \log(1/\varepsilon))$. When there is no observable attack, GHAST only needs $3d$ time to achieve confirmation at the same confidence level as six-block-confirmation in Bitcoin, while it takes roughly $360d$ in Bitcoin.

연구 동기 및 목표

• 분산화는 유지하되 스케일링을 제한하는 나카모토 합의의 높은 확인 지연 지점 문제를 해결하기 위해.
• 허가 없는 분산 환경에서 보안이나 라이브니스를 희생시키지 않고 동시에 블록 생성을 가능하게 하기 위해.
• 제한된 계산 능력을 가진 공격 조건에서도 강력한 보안 보장을 유지하는 합의 메커니즘을 설계하기 위해.
• 기존의 가장 긴 체인 프로토콜(비트코인의 나카모토 합의 포함)에 내재된 확인 지연 장벽을 깨기 위해.
• 네트워크 지연 d에 따라 효율적으로 스케일링 가능한, 증명 가능하게 안전한 고처리량 합의 프로토콜을 제공하기 위해.

제안 방법

• GHAST는 각 블록이 다수의 부모를 참조함으로써 동시에 블록 생성과 개선된 전파를 가능하게 하는 트리 구조의 DAG(트리-그래프)로 블록을 구성한다.
• 블록의 잠재력과 깊이를 기반으로 한 적응형 블록 가중치를 도입하여, 최종 주 체인에 포함될 가능성이 높은 블록을 우선시한다.
• 주 체인을 결정하기 위해 무거운 하위 트리(GHAST)를 탐욕적으로 선택함으로써, 공격 조건 하에서도 라이브니스와 보안을 보장한다.
• 블록 b가 최종 체인에 포함될 가능성을 측정하는 블록 잠재력 함수 P(S, b)를 정의하며, 이는 정직한 블록과 악성 블록을 모두 고려한다.
• 마팅글 농도 경계와 체르노프 유사 부등식을 사용한 엄밀한 보안 분석을 통해, 악성 블록 포함 확률을 제한한다.
• 참고 시점으로부터 d 시간 이내에 생성된 블록은, 적응형 공격 전략이 존재하더라도 O(d·log(1/ε)) 시간 후에 고확률로 확인된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허가 없는 분산 환경에서 보안이나 라이브니스를 훼손하지 않고도 낮은 확인 지연을 달성할 수 있는 블록체인 합의 프로토콜이 존재할 수 있는가?
• RQ2 블록 전파 지연 d는 어떻게 활용하여 확인 시간을 줄일 수 있으며, 50% 공격에 저항할 수 있는가?
• RQ3 적응형 블록 가중치를 가진 DAG 기반 아키텍처가 기존의 가장 긴 체인 프로토콜보다 확인 속도와 처리량 측면에서 뛰어나게 설계될 수 있는가?
• RQ4 제한된 공격자 계산 능력 하에서 안전하고 동시에 작동하는 합의 프로토콜의 이론적 확인 시간 상한은 무엇인가?
• RQ5 보안 보장을 유지하면서 확인 지연을 O(1/ε)에서 O(log(1/ε))로 줄일 수 있는가?

주요 결과

• GHAST는 d가 최대 블록 전파 지연일 때, O(d·log(1/ε)) 시간 이내에 신뢰도 ≥1−ε로 확인을 보장한다.
• 공격이 없는 조건에서는 GHAST가 3d 시간 내에 비트코인의 6블록 확인과 동일한 신뢰도로 확인을 달성하며, 이는 비트코인의 약 360d 시간에 해당한다.
• 공격자 계산 능력이 50%에서 멀리 떨어져 있을 경우, GHAST는 로그 시간 복잡도의 확인 지연을 유지하면서도 라이브니스를 보장한다.
• 블록 잠재력 함수 P(S, b)는 η_w + SubTW(B_gen ∩ M, b)로 유계되며, 이는 악성 블록의 영향을 제한한다.
• 분석 결과, 예외 확률 ε 이내로, 기준 시점으로부터 d 시간 이내에 생성된 블록은 블록 잠재력이 4λ·max{140/δ²·log(9000/(εδ²)), 8(η_b+4)/δ}를 초과할 수 없다.
• 동일한 보안 및 네트워크 조건에서 GHAST는 비트코인보다 확인 속도를 30배 향상시킨다.