[논문 리뷰] Optimized Execution of Business Processes on Blockchain

Luciano García‐Bañuelos, А. В. Пономарев외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 09.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 이더리움용 최적화된 솔리디티 스마트 계약으로 BPMN 프로세스 모델을 컴파일하는 방법을 제안한다. 고효율 상태 인코딩을 위해 공간 최적화된 비트 배열을 사용하여 가스 소비를 최소화한다. 제안된 방법은 기준 대비 평균 가스 소비를 50% 감소시키고 처리량을 30% 향상시켜 블록체인 기반 비즈니스 프로세스 실행의 확장성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Blockchain technology enables the execution of collaborative business processes involving untrusted parties without requiring a central authority. Specifically, a process model comprising tasks performed by multiple parties can be coordinated via smart contracts operating on the blockchain. The consensus mechanism governing the blockchain thereby guarantees that the process model is followed by each party. However, the cost required for blockchain use is highly dependent on the volume of data recorded and the frequency of data updates by smart contracts. This paper proposes an optimized method for executing business processes on top of commodity blockchain technology. The paper presents a method for compiling a process model into a smart contract that encodes the preconditions for executing each task in the process using a space-optimized data structure. The method is empirically compared to a previously proposed baseline by replaying execution logs, including one from a real-life business process, and measuring resource consumption.

연구 동기 및 목표

• 이더리움과 같은 일반 블록체인에서 비즈니스 프로세스를 실행할 때 발생하는 높은 가스 비용을 줄이기 위해.
• 블록체인 기반 프로세스 실행에서 스마트 계약의 데이터 팽창과 거래 빈도를 최소화하기 위해.
• 효율적인 상태 인코딩을 통해 블록체인에서 실행되는 비즈니스 프로세스의 확장성과 성능을 향상시키기 위해.
• 실제 및 합성 프로세스 실행 로그를 사용하여 방법을 실증적으로 평가하기 위해.
• BPMN 모델에서 가스 효율적인 솔리디티 스마트 계약으로의 실용적이고 최적화된 컴파일링 파이프라인을 제공하기 위해.

제안 방법

• 제어 흐름 의미 체계를 단순화하기 위해 BPMN 프로세스 모델을 최소화된 페트리 넷으로 변환하기.
• 프로세스 상태를 나타내는 데 비트 배열을 사용하는 솔리디티 스마트 계약으로 페트리 넷을 컴파일하여 스토리지 프로필을 최소화하기.
• 작업 실행의 사전 조건을 비트 수준 연산으로 인코딩하여 계산 오버헤드를 감소시키기.
• 필요한 블록체인 쓰기 횟수와 가스 집약적인 연산 수를 줄여 상태 전이를 최적화하기.
• 다양한 프로세스 로그에서 가스 소비를 측정하기 위해 재생 기반 평가 프레임워크 사용하기.
• 실제 및 합성 실행 트레이스를 사용하여 이전 연구에서 제안한 기준 방법과의 벤치마킹 수행하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 BPMN 기반 비즈니스 프로세스를 최소한의 가스 소비로 블록체인 스마트 계약으로 컴파일할 수 있는가?
• RQ2 공간 최적화된 상태 인코딩이 스마트 계약에서 데이터 팽창과 거래 빈도에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 제안된 방법은 가스 소비와 실행 처리량 측면에서 기준 방법과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 고부하 및 동시 프로세스 실행 조건에서 최적화된 방법의 확장성은 어떠한가?
• RQ5 복잡한 실행 패턴을 가진 실제 비즈니스 프로세스 로그에 이 방법을 효과적으로 적용할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 테스트 데이터셋에서 최적화된 방법은 기준 방법 대비 평균 가스 소비를 50% 감소시켰다.
• 최적화된 스마트 계약은 500개의 프로세스 인스턴스를 511개 블록 내에 완료했으며, 기준 방법은 739개 블록을 소요하여 처리량에서 30% 향상을 보였다.
• 각 연산당 가스 소비가 감소함에 따라 블록당 거래 처리량이 증가했으며, 최적화된 계약은 블록당 약 180건의 거래를 유지한 반면 기준 방법은 약 140건을 기록했다.
• 처리량의 주요 병목 현상은 이더리움의 블록 가스 제한에 기인했으며, 이로 인해 최적화된 버전의 경우 블록당 최대 5개의 인스턴스 생성이 제한되었다.
• 실제 영수증 로그(5,300건 이상의 트레이스 포함)에서의 평가를 통해 실용적 타당성이 확인되었다.
• 상태 표현 최소화와 쓰기 연산 감소가 일반 블록체인에서 실행 비용을 크게 낮춘다는 것이 평가를 통해 확인되었다.