[논문 리뷰] Overview of Polkadot and its Design Considerations

Jeff Burdges, Alfonso Cevallos외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 27.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 23인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 다중 블록체인 간 상호운용성, 확장성, 분산된 보안 문제를 해결하기 위해 중심 릴레이 체인을 통해 다수의 블록체인을 공통 보안 모델 아래 통합하는 이종 다중체인 프로토콜인 Polkadot을 제안한다. 이 시스템은 파라체인, BABE 및 GRANDPA 합의, XCMP 메시징, 스테이킹 기반 거버넌스 모델 등의 구성 요소를 통해 신뢰 없는 다중 블록체인 간 통신을 가능하게 하여 확장성 있고 안정적이며 상호운용 가능한 블록체인 상호운용성을 실현한다.

ABSTRACT

In this paper we describe the design components of the heterogenous multi-chain protocol Polkadot and explain how these components help Polkadot address some of the existing shortcomings of blockchain technologies. At present, a vast number of blockchain projects have been introduced and employed with various features that are not necessarily designed to work with each other. This makes it difficult for users to utilise a large number of applications on different blockchain projects. Moreover, with the increase in number of projects the security that each one is providing individually becomes weaker. Polkadot aims to provide a scalable and interoperable framework for multiple chains with pooled security that is achieved by the collection of components described in this paper.

연구 동기 및 목표

• 상호운용성이 없고 분산된 보안으로 인해 어려움을 겪는 고립된 블록체인의 한계를 해결하기 위해.
• 다양한 종류의 체인(파라체인)이 공통 보안 모델 아래 병렬로 작동하도록 허용하여 수평적 확장성을 달성하기 위해.
• 독립된 블록체인 간에 신뢰 없는 메커니즘을 제공하여 다중 블록체인 간 통신 및 거래 검증을 가능하게 하기 위해.
• 장기적인 지속 가능성과 검증자 인cent라이브를 보장하는 탈중앙화된 거버넌스 및 경제 모델을 설계하기 위해.
• 공식화된 서브프로토콜을 포함한 모듈러하고 조합 가능한 아키텍처를 도입하여 기존 블록체인의 성능 저하 요인을 극복하기 위해.

제안 방법

• 릴레이 체인은 공통 보안과 파라체인 간 크로스체인 메시지 전달(XCMP)을 제공하는 중심 조율 레이어로 기능한다.
• 파라체인은 릴레이 체인의 최종성과 보안에 의존하는 독립 블록체인으로, 블록 생성에는 BABE를, 최종성에는 GRANDPA를 사용한다.
• 이름표시된 스테이킹 기반 증명(NPoS) 메커니즘이 스테이킹과 추천을 기반으로 검증자를 선출하여 경제적 보안과 탈중앙화를 보장한다.
• 크로스체인 메시징은 XCMP를 통해 가능해지며, 파라체인이 안전하고 비동기적으로 메시지를 보내고 받을 수 있도록 한다.
• 사설 검증자 노드를 직접 피어 간 통신으로부터 분리하기 위해 세너리 노드가 도입되어 보안을 향상시키고 DoS 공격을 완화한다.
• 네트워크는 피어 발견을 위해 Kademlia 기반 DHT를 사용하고, libp2p를 통해 안전하고 인증된 전송을 제공하며, 향후 발견 기능을 라우팅에서 분리하여 더 강력한 보안을 확보할 계획이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰할 수 있는 중개자에 의존하지 않고도 다수의 이종 블록체인이 안전하게 상호운용할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 어떤 아키텍처와 합의 메커니즘이 고속도와 낮은 지연 시간을 유지하면서도 다수의 블록체인 간에 보안을 통합할 수 있도록 하는가?
• RQ3 탈중앙화된 거버넌스 모델은 다중체인 생태계에서 업그레이드, 슬롯 할당, 재정 기금 관리 등을 효과적으로 관리할 수 있는가?
• RQ4 스테이킹과 경제적 인cent라이브는 네트워크 보안과 검증자 행동을 어떻게 조율하는가?
• RQ5 네트워크 토폴로지와 피어 발견 메커니즘은 일시적 공격(eclipse)과 DoS 공격을 방지하면서도 탈중앙화를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• Polkadot은 XCMP 프로토콜을 사용하여 파라체인 간에 상호운용 가능한 신뢰 없는 메시지 전달을 가능하게 하여 상호 신뢰가 필요 없는 안전한 메시지 전달을 실현한다.
• BABE 및 GRANDPA 합의 프로토콜의 사용은 스테이킹 기반 모델 하에서 강력한 보안 보장을 확보하면서도 고성능과 최종성을 보장한다.
• 릴레이 체인의 통합 보안 모델은 파라체인이 전체 네트워크의 보안을 이행할 수 있도록 하여 개별 체인의 공격 표면을 크게 감소시킨다.
• NPoS 검증자 선출 메커니즘은 악성 행동에 대한 슬래싱과 스테이킹 위임을 통해 고도의 탈중앙화와 경제적 보안을 달성한다.
• 세너리 노드는 사설 검증자 노드를 직접 피어 트래픽으로부터 효과적으로 분리하여 노출을 줄이고 DoS 및 악용 공격의 위험을 감소시키지만 네트워크 연결성은 손상시키지 않는다.
• 모듈러 설계, 특히 교환 가능한密码학, 네트워킹 및 거버넌스를 포함한 시스템은 프로토콜의 확장성과 장기적인 진화를 지원한다.