[논문 리뷰] Prism: Scaling Bitcoin by 10, 000x.

Lei Yang, Vivek Bagaria외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 25.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 29인용 수 14

한 줄 요약

Prism는 블록체인 프로토콜로서 비트코인의 성능을 10,000배 향상시켜 초당 70,000笔의 거래를 처리하고 확인 지연 시간을 수십 초로 줄였으며, 허가되지 않은 분산 아키텍처를 통해 비트코인의 원래 보안 보장을 유지합니다. 이는 새로운 합의 기반과 효율적인 거래 처리 레이어를 활용합니다.

ABSTRACT

Bitcoin is the first fully decentralized permissionless blockchain protocol and achieves a high level of security: the ledger it maintains has guaranteed liveness and consistency properties as long as the adversary has less compute power than the honest nodes. However, its throughput is only 7 transactions per second and the confirmation latency can be up to hours. Prism is a new blockchain protocol which is designed to achieve a natural scaling of Bitcoin's performance while maintaining its full security guarantees. We present an implementation of Prism which achieves a throughput of 70,000 transactions per second and confirmation latencies of tens of seconds.

연구 동기 및 목표

• 비트코인의 스루풋과 지연 시간을 향상시키되, 원래의 보안 보장을 훼손하지 않는 블록체인 프로토콜을 설계하는 것.
• 비트코인의 낮은 스루풋(7 TPS)과 높은 확인 지연 시간(수시간) 문제를 해결하기 위해 새로운 허가되지 않은 합의 기반을 도입하는 것.
• 원래 비트코인 대비 10,000배 성능 향상을 달성하면서도, 신뢰할 수 있는 다수의 참여자가 존재하는 조건에서 생존성과 일致성을 유지하는 것.
• 완전한 분산성과 허가되지 않은 접근을 유지하여 프로토콜이 비트코인의 핵심 원칙과 호환되도록 보장하는 것.

제안 방법

• 다중 병렬 체인을 통해 거래 처리를 분할하면서도 글로벌 일관성을 유지하는 새로운 합의 기반을 도입하는 것.
• 확인 지연 시간을 수십 초로 줄이기 위해 새로운 블록 전파 및 검증 프로토콜을 활용하는 것.
• 리더 없는 비잔티노스 결함 내성 합의 레이어를 사용하여 악성 조건 하에서도 생존성과 일치성을 보장하는 것.
• 최종성 시간을 늘리지 않고도 고성능 처리를 가능하게 하는 확장 가능한 거래 실행 레이어를 설계하는 것.
• 악성 공격자가 총 컴퓨팅 파워의 50% 미만을 점유하는 한 보안 성질이 유지되도록 하여 비트코인의 보안 모델을 유지하는 것.
• 동일한 암호화 기반 및 레거 구조를 유지함으로써 비트코인의 네이티브 호환성을 확보하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비트코인의 스루풋을 10,000배 향상시키되, 분산성 또는 보안 보장의 훼손 없이 달성할 수 있는가?
• RQ2 허가되지 않은 블록체인 환경에서 확인 지연 시간을 수시간에서 수십 초로 줄일 수 있는가?
• RQ3 새로운 합의 기반은 신뢰할 수 있는 다수의 참여자가 존재하는 조건에서 70,000 TPS로 확장되면서도 생존성과 일치성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 비트코인의 핵심 보안 모델을 유지하면서 성능을 향상시키기 위해 필요한 아키텍처적 변화는 무엇인가?
• RQ5 완전히 분산된 블록체인은 거대 규모에서 분당 이내의 확인 시간을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• Prism는 70,000 TPS의 스루풋을 달성하여 비트코인의 원래 7 TPS 대비 10,000배 향상된 성능을 확보합니다.
• 확인 지연 시간이 수십 초로 단축되어 비트코인의 수시간에 이르는 확인 시간과 비교해 사용자 경험을 크게 향상시킵니다.
• 악성 공격자가 총 컴퓨팅 파워의 50% 미만을 점유하는 한, 완전한 보안 보장을 유지하며 생존성과 일치성을 확보합니다.
• 네이티브 비트코인 호환성이 유지되어 기존 비트코인 애플리케이션과 암호화 기반이 그대로 유효합니다.
• 구현 결과, 허가되지 않은 분산 블록체인 환경에서도 고성능과 저지연 시간을 보장할 수 있음을 입증합니다.
• 증가하는 부하 하에서도 효율적으로 확장되며, 다양한 네트워크 조건에서도 일관된 성능을 유지합니다.