[논문 리뷰] High Throughput Cryptocurrency Routing in Payment Channel Networks

Vibhaalakshmi Sivaraman, Shaileshh Bojja Venkatakrishnan외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 13.

Caching and Content Delivery참고 문헌 38인용 수 41

한 줄 요약

Spider는 거래를 패킷화하고 다경로 혼잡 제어 프로토콜을 사용하여 결제 채널 네트워크에서 높은 처리량 라우팅을 달성하고, 필요한 담보를 줄이고 최첨단 접근법에 비해 처리량을 증가시킵니다.

ABSTRACT

Despite growing adoption of cryptocurrencies, making fast payments at scale remains a challenge. Payment channel networks (PCNs) such as the Lightning Network have emerged as a viable scaling solution. However, completing payments on PCNs is challenging: payments must be routed on paths with sufficient funds. As payments flow over a single channel (link) in the same direction, the channel eventually becomes depleted and cannot support further payments in that direction; hence, naive routing schemes like shortest-path routing can deplete key payment channels and paralyze the system. Today's PCNs also route payments atomically, worsening the problem. In this paper, we present Spider, a routing solution that "packetizes" transactions and uses a multi-path transport protocol to achieve high-throughput routing in PCNs. Packetization allows Spider to complete even large transactions on low-capacity payment channels over time, while the multi-path congestion control protocol ensures balanced utilization of channels and fairness across flows. Extensive simulations comparing Spider with state-of-the-art approaches shows that Spider requires less than 25% of the funds to successfully route over 95% of transactions on balanced traffic demands, and offloads 4x more transactions onto the PCN on imbalanced demands.

연구 동기 및 목표

• 암호화폐에서 확장 가능하고 빠른 결제의 필요성을 PCN를 통해 제시한다.
• 현재 PCN 라우팅을 저해하는 기본적인 처리량 및 균형 문제를 식별한다.
• 패킷 스위치 아키텍처와 다경로 혼잡 제어 프로토콜(Spider)을 제안하여 균형 잡힌 고처리량 라우팅을 달성한다.
• 시뮬레이션과 소규모 구현을 통해 Spider가 처리량을 개선하고 PCN으로 더 많은 트래픽을 오프로드한다는 것을 입증한다.

제안 방법

• 거래를 거래 단위(transaction-units)로 분할하고 여러 경로와 시간에 걸쳐 전달하는 PCN용 패킷 스위치 아키텍처를 도입한다.
• 간단한 혼잡 신호를 사용해 채널 사용을 균형시키고 처리량을 극대화하는 다경로 전송 프로토콜 Spider를 개발한다.
• 밸런스와 용량 제약을 갖춘 PCN 라우팅의 유동 NUM 기반 모델을 공식화하고 순환(Circulations) 대 DAG 수요를 분석한다.
• MPTCP 스타일의 다중 경로 커플링에서 영감을 받아 라우터 가격 신호와 엔드 호스트 경로 탐침을 갖춘 실용적인 프로토콜을 제안한다.
• 패킷 수준 시뮬레이션과 LND 라이트닝 네트워크 코드베이스의 소규모 구현을 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전통적인 라우팅에서 PCN에서 채널 균형 및 용량 제약이 처리량을 어떻게 제한하는가?
• RQ2 패킷화와 다경로 혼잡 제어가 공정성을 유지하면서 PCN 처리량을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 순환(Circulation) 대 DAG 수요가 PCN에서 달성 가능한 최대 처리량에 어떤 구조적 수요 패턴을 미치는가?
• RQ4 온체인 재균형을 과도하게 요구하지 않고 분산된 가격 기반 라우팅이 PCN의 채널 활용을 균형 있게 달성할 수 있는가?
• RQ5 Spider가 순환(Circulation) 및 DAG 트래픽 패턴에서 최첨단 라우팅에 비해 어떻게 성능을 나타내는가?

주요 결과

• Spider는 순환 수요에서 95% 이상의 거래를 라우트하기 위해 25% 미만의 자금이 필요하다.
• Spider는 DAG 수요에서 블록체인상의 거래당 7-8배의 거래를 PCN으로 오프로드하며, 기존 접근법 대비 4배 개선.
• 순환(Circulation) 수요 하에서 신용카드 거래 데이터셋을 사용해 최첨단 접근법에 비해 가장 큰 상위 25% 거래 중 1.3-1.8배 더 많이 완료한다.
• Spider의 네트워크 전체 접근 방식은 흐름 간의 공정성을 유지하면서 높은 처리량을 달성한다.