[논문 리뷰] LightChain: A DHT-based Blockchain for Resource Constrained Environments

Yahya Hassanzadeh-Nazarabadi, Alpteki̇n Küpçü외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 31.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 61인용 수 27

한 줄 요약

LightChain는 자원이 제한된 환경에서 효율적이고 확장 가능하며 공정한 합의를 가능하게 하는 DHT 기반의 허가 없는 블록체인을 제안한다. 콘텐츠 기반 주소 저장 및 온디맨드 검색을 통해 Bitcoin 및 Ethereum 대비 노드당 스토리지 용량을 약 66배 감소시키고 부팅 시간을 약 380배 단축시킨다. 동시에 결정론적 포크 해결 및 다수의 위협적인 노드가 존재하는 상황에서도 보안을 유지한다.

ABSTRACT

As an append-only distributed database, blockchain is utilized in a vast variety of applications including the cryptocurrency and Internet-of-Things (IoT). The existing blockchain solutions have downsides in communication and storage efficiency, convergence to centralization, and consistency problems. In this paper, we propose LightChain, which is the first blockchain architecture that operates over a Distributed Hash Table (DHT) of participating peers. LightChain is a permissionless blockchain that provides addressable blocks and transactions within the network, which makes them efficiently accessible by all the peers. Each block and transaction is replicated within the DHT of peers and is retrieved in an on-demand manner. Hence, peers in LightChain are not required to retrieve or keep the entire blockchain. LightChain is fair as all of the participating peers have a uniform chance of being involved in the consensus regardless of their influence such as hashing power or stake. LightChain provides a deterministic fork-resolving strategy as well as a blacklisting mechanism, and it is secure against colluding adversarial peers attacking the availability and integrity of the system. We provide mathematical analysis and experimental results on scenarios involving 10K nodes to demonstrate the security and fairness of LightChain. As we experimentally show in this paper, compared to the mainstream blockchains like Bitcoin and Ethereum, LightChain requires around 66 times less per node storage, and is around 380 times faster on bootstrapping a new node to the system, while each LightChain node is rewarded equally likely for participating in the protocol.

연구 동기 및 목표

• 기존 블록체인의 확장성 및 효율성 문제, 특히 통신, 스토리지 및 합의 오버헤드 문제를 해결하기 위해.
• 계산 능력이나 스테이크에 관계없이 모든 피어가 동일한 참여 기회를 가지도록 하여 합의에서의 중심화 경향을 제거하기 위해.
• 기존 블록체인에서 확률적 포크 해결 방식으로 인한 일致성 문제를 해결하기 위해.
• 구조화된 DHT 오버레이를 통해 블록과 거래에 대한 효율적이고 온디맨드 액세스를 가능하게 하기 위해.
• 악성 다수의 피어가 존재하는 악성 조건에서도 시스템의 가용성과 보안을 보장하기 위해.

제안 방법

• LightChain는 피어, 블록, 거래에 대한 결정론적이고 복잡도가 낮은 검색을 제공하기 위해 스킵 그래프 기반 분산 해시 테이블(DHT)을 기반으로 운영된다.
• 각 피어는 블록과 거래의 무작위 부분 집합만 저장하여 전체 레지스트리 복제 대신 온디맨드 검색을 가능하게 한다.
• 균일한 실패 확률 모델과 무작위화된 부팅 메커니즘을 사용하여 모든 피어 간의 공정한 참여를 보장하는 합의 프로토콜을 구현한다.
• 블록 해시와 피어 참여도를 기반으로 한 일관된 순서 기반 메커니즘을 사용해 결정론적 포크 해결 전략을 시행한다.
• 가용성 또는 무결성을 해칠 시도를 하는 악성 피어를 탐지하고 격리하기 위해 블랙리스트 메커니즘을 도입한다.
• 하이퍼기하분포 모델을 사용해 보안과 가용성을 형식적으로 증명함으로써, 정직한 피어가 유한한 시도 수 내에서 충분한 정직한 피어를 항상 찾을 수 있음을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 피어가 전체 레지스트리 스토리지를 요구하지 않는 조건에서 효율적이고 확장 가능하며 공정한 합의를 달성할 수 있는가?
• RQ2 확률적 가장 긴 체인 규칙에 의존하지 않고 네트워크 포크가 존재하는 상황에서도 일관성과 결정론적 최종성(finality)을 유지할 수 있는가?
• RQ3 대부분의 피어가 악성 또는 해킹된 상태여도 블록체인 시스템이 보안성과 가용성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 에피데믹 확산 대신 구조화된 DHT를 사용해 콘텐츠 검색을 수행할 경우, 블록체인의 통신 및 스토리지 복잡도는 어떻게 되는가?
• RQ5 피어의 계산 능력이나 스테이크에 관계없이 합의 참여의 공정성을 어떻게 달성할 수 있는가?

주요 결과

• LightChain는 기존 블록체인의 노드당 스토리지 복잡도 O(b)를 O(b/n)으로 줄여 Bitcoin 및 Ethereum 대비 약 66배 낮은 스토리지 요구량을 달성한다.
• DHT를 통한 온디맨드 콘텐츠 검색 덕분에 LightChain에서 새로운 노드를 부팅하는 데 걸리는 시간이 주요 블록체인 대비 약 380배 빠르다.
• 정직한 피어가 충분히 많다면 부분적으로 동기화된 네트워크와 동시에 다수의 피어가 악성일 경우에도 시스템은 서비스 가용성을 유지한다.
• LightChain는 결정론적 포크 해결을 보장하며, 가용성이나 무결성을 해칠 시도를 하는 공모 악성 피어에 대해 보안성이 확보된다.
• 수학적 분석을 통해 정직한 피어가 한 번의 샘플링 라운드 내에서 최소한의 정직한 피어를 항상 찾을 수 있음을 확인하여 라이브니스와 합의 진행성을 보장한다.
• 모든 피어가 동일한 확률로 선택될 수 있도록 하여, 해싱 파워나 스테이크에 관계없이 합의 참여의 공정성을 달성한다.