[논문 리뷰] Practical Low Latency Proof of Work Consensus

Yang Lei, Xuechao Wang외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 25.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 4

한 줄 요약

Prism++는 악성 공격자의 최악의 행동을 명시적으로 모델링한 공동 설계된 확인 규칙을 통해 병렬 체인 아키텍처를 활용하는 새로운 작업 증명 합의 프로토콜을 도입하여, 비트코인 수준의 보안을 유지하면서도 10초 미만의 저지연성 거래 확인을 달성한다. 이는 80,000건 이상의 거래를 초당 처리할 수 있으며, 보안과 처리 능력의 희생 없이도 확실한 저지연성을 보장한다.

ABSTRACT

Bitcoin is the first fully-decentralized permissionless blockchain protocol to achieve a high level of security, but at the expense of poor throughput and latency. Scaling the performance of Bitcoin has a been a major recent direction of research. One successful direction of work has involved replacing proof of work (PoW) by proof of stake (PoS). Proposals to scale the performance in the PoW setting itself have focused mostly on parallelizing the mining process, scaling throughput; the few proposals to improve latency have either sacrificed throughput or the latency guarantees involve large constants rendering it practically useless. Our first contribution is to design a new PoW blockchain Prism++ that has provably low latency and high throughput; the design retains the parallel-chain approach espoused in Prism but invents a new confirmation rule to infer the permanency of a block by combining information across the parallel chains. We show security at the level of Bitcoin with very small confirmation latency (a small constant factor of block interarrival time). A key aspect to scaling the performance is to use a large number of parallel chains, which puts significant strain on the system. Our second contribution is the design and evaluation of a practical system to efficiently manage the memory, computation, and I/O imperatives of a large number of parallel chains. Our implementation of Prism++ achieves a throughput of over 80,000 transactions per second and confirmation latency of tens of seconds on networks of up to 900 EC2 Virtual Machines.

연구 동기 및 목표

• PoW 블록체인에서 저지연성 확인과 강력한 보안 간의 근본적 트레이드오프를 해결하기 위해.
• 이전의 병렬 체인 프로토콜인 Prism과 같이 확인 규칙에 큰 상수들이 포함되어 있어 실용적으로 높은 지연 시간 상한선을 유발하는 한계를 극복하기 위해.
• 수천 개의 병렬 체인을 통해 메모리, I/O, 계산 자원을 효율적으로 관리할 수 있는 실용적인 시스템을 설계하기 위해.
• 스팸 공격, 검열 공격, 균형 공격 등 활성 공격 상황에서 프로토콜의 내성 강도를 평가하기 위해.
• 이론적으로 확보된 저지연성 보장을 효율적인 구현과 최적화를 통해 실생활에서 실현할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 악성 공격자의 최악의 행동을 명시적으로 기술한 새로운 확인 규칙을 도입하여, 역전 확률에 대한 날카운 제약 조건을 도출한다.
• 제안자 블록이 서로 독립적인 다수의 검증자 체인을 통해 확인되는 병렬 체인 아키텍처를 사용하며, 각 검증자 체인은 최장체인 규칙을 적용한다.
• 악성 마이닝 상황 하에서 확인 오류 확률을 증명 가능한 방식으로 유도하기 위해 연속 시간, 무한 수명 주기 모델을 적용한다.
• 거래 처리 시 랜덤 타이밍 저항을 도입하여, 거래 포함을 지연시킴으로써 스팸 공격을 완화한다.
• 데이터베이스 최적화(RocksDB), 효율적인 직렬화, I/O 인식 거래 처리를 통해 시스템 성능을 최적화한다.
• 최대 20%의 악성 마이닝 파wer를 견딜 수 있도록 프로토콜를 구성함으로써 보안과 성능 유지를 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PoW 합의 프로토콜이 비트코인 수준의 보장과 유사한 증명 가능한 보안 보장을 바탕으로 저지연성 확인을 달성할 수 있는가?
• RQ2 최악의 악성 공격 행동을 기반으로 한 확인 규칙이 처리 능력의 희생 없이 실용적인 저지연성 확인을 가능하게 하는가?
• RQ3 메모리 및 I/O 오버헤드를 관리 가능한 수준으로 유지하면서도 수천 개의 병렬 체인을 통해 대규모 고처리량 PoW 시스템을 효율적으로 구현할 수 있는가?
• RQ4 스팸 공격, 검열 공격, 균형 공격 등의 활성 공격 상황에서 프로토콜의 성능은 어떻게 되는가?
• RQ5 저항성 향상을 위한 시스템 수준 최적화 기법(예: 저항성 주기 도입, 데이터베이스 최적화)이 실제 성능 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• Prism++는 최대 900대의 EC2 가상 머신으로 구성된 네트워크에서 초당 80,000건 이상의 거래 처리를 달성한다.
• 확인 지연 시간이 수십 초로 단축되어, 악성 조건 하에서 최장체인 프로토콜 대비 6배 이상 빠르다.
• 이론적 분석과 실험을 통해 최대 20%의 악성 마이닝 파워가 존재하더라도 비트코인 수준의 보안을 유지함을 확인했다.
• CPU 사용량 분석 결과, RocksDB I/O 연산이 레거시 처리의 49.5%를 차지함을 확인하여 데이터베이스 최적화의 중요성을 입증한다.
• 최대 5초의 랜덤 타이밍 저항을 적용함으로써 스팸 거래의 포함률을 약 80% 감소시켜 효과적으로 스팸 공격을 완화한다.
• 20%의 악성 클라이언트가 균형 공격을 수행하는 상황에서도 확인 지연 시간이 최장체인 프로토콜 대비 6배 이상 빠르게 유지된다.