[논문 리뷰] RepChain: A Reputation-based Secure, Fast and High Incentive Blockchain System via Sharding

Chenyu Huang, Zeyu Wang외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 17.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 27인용 수 23

한 줄 요약

RepChain는 검증자 신뢰도를 활용하여 리더 선출과 샤딩을 이끄는 신뢰도 기반 샤딩 블록체인을 제안한다. 이를 통해 처리량, 보안성, 인cent림 일치도를 향상시킨다. 이중 체인 아키텍처를 사용하며, 트랜잭션 공식은 Raft 기반 동기 공식을, 신뢰도 공식은 비잔티노스 결함 내성 공식을 사용한다. 이로 인해 신뢰도 인지적 로드 밸런싱과 동적 파rameter 조정을 통해 고처리량과 향상된 보안성을 달성한다.

ABSTRACT

In today's blockchain system, designing a secure and high throughput blockchain on par with a centralized payment system is a difficult task. Sharding is one of the most worthwhile emerging technologies for improving the system throughput while maintain high security level. However, previous sharding related designs have two main limitations: Firstly, the throughput of their random-based sharding system is not high enough as they did not leverage the heterogeneity among validators. Secondly, to design an incentive mechanism to promote cooperation could incur a huge overhead on their system. In this paper, we propose RepChain, a reputation-based secure and fast blockchain system via sharding, which also provides high incentive to stimulate node cooperation. RepChain utilizes reputation to explicitly characterize the heterogeneity among the validators and lay the foundation for the incentive mechanism. We propose a new double-chain architecture which includes transaction chain and reputation chain. For transaction chain, a Raft-based synchronous consensus that can achieve high throughput has been presented. For reputation chain, the synchronous Byzantine fault tolerance that combines collective signing has been utilized to achieve a consensus on both reputation score and the related transaction blocks. It supports a high throughput transaction chain with moderate generation speed. Moreover, we propose a reputation-based sharding and leader selection scheme. To analyze the security of RepChain, we propose a recursive formula to calculate the epoch security within only O(km^2) time. Furthermore, we implement and evaluate RepChain on the Amazon Web Service platform. The results show our solution can enhance both throughout and security level of the existing sharding-based blockchain system.

연구 동기 및 목표

• 기존 샤딩 기반 블록체인의 낮은 처리량과 열악한 보안성 문제를 해결하기 위해 무작위 샤딩과 인센티브 메커니즘 부족을 해결한다.
• 계산 능력과 이력 행동과 같은 검증자 이질성(예: 컴퓨팅 파wr와 이력 행동)을 신뢰도 시스템을 통해 활용하여 시스템 성능을 향상시킨다.
• 중앙 집중식 보상 배포에 의존하지 않는 안전하고 고처리량이며 인센티브 호환 가능한 샤딩 프로토콜을 설계한다.
• 어떤 단일 샤드도 공격자가 지배하지 못하도록 신뢰도 점수를 분배하여 샤드 구성의 균형을 확보한다.
• 적대적 조건 하에서 에포크 수준 보안을 효율적으로 계산할 수 있는 재귀 공식을 포함한 형식화된 보안 모델을 제공한다.

제안 방법

• 이중 체인 아키텍처 도입: 트랜잭션 체인은 고처리량을 위해 Raft 기반 동기 공식을 사용하고, 신뢰도 체인은 공동 서명을 통해 비잔티노스 결함 내성 공식을 사용하여 신뢰도 점수에 대해 공식을 도출한다.
• 높은 신뢰도를 가진 검증자를 리더로 선출하는 신뢰도 기반 샤딩 및 리더 선출 메커니즘 설계로 처리량 향상과 버티브 블록을 줄인다.
• 신뢰도 독점 방지를 위해 장기적 참여에 대한 공정성을 확보하기 위해 신뢰도 감소 메커니즘을 구현한다.
• 공격에 대한 내성 분석을 가능하게 하기 위해 O(km²) 시간 내에 실행되는 에포크 보안 계산을 위한 재귀 공식을 제안한다.
• 관찰-행동 공격에 대응하기 위해 신뢰도 공식, 슬라이딩 윈도우, 샤딩 체계와 같은 시스템 파rameter를 동적으로 조정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 신뢰도를 효과적으로 활용하여 샤딩 블록체인에서 검증자 이질성을 모델링하고 처리량을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 신뢰도 기반 샤딩 메커니즘이 악성 및 정상 검증자 분포를 샤드 간 균형 있게 분산시켜 보안성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 신뢰도 기반 인센티브 메커니즘이 수익 변동성을 줄이고 장기적인 검증자 참여를 장려할 수 있는가?
• RQ4 신뢰도 기반 샤딩 시스템에서 에포크 수준 보안 분석의 계산 복잡도는 무엇이며, 이를 효율적으로 계산할 수 있는가?
• RQ5 동적 파rameter 조정은 관찰-행동 공격과 같은 고도의 적응형 공격에 대해 어떻게 내성을 향상시키는가?

주요 결과

• RepChain는 트랜잭션 체인에서 Raft 기반 공식을 사용함으로써 고처리량을 달성하고, 샤드 간 병렬 처리를 효율적으로 수행한다.
• 신뢰도 체인은 공동 서명을 통해 신뢰도 점수와 블록 유효성에 대한 공식을 도출함으로써 일관성과 장애 내성 보장을 확보한다.
• 신뢰도 기반 샤딩 및 리더 선출 기법은 고성능 검증자를 우선시함으로써 시스템의 병목 현상을 줄이고 전체 처리량을 향상시킨다.
• 에포크 보안 계산을 위한 재귀 공식은 O(km²) 시간 내에 실행되어 확장 가능하고 효율적인 보안 분석을 가능하게 한다.
• AWS에서의 평가 결과, RepChain는 기존 샤딩 기반 시스템과 비교해 처리량과 보안성을 모두 향상시키며, 특히 적대적 조건 하에서도 뛰어난 성능을 보였다.
• 동적 파rameter 조정은 에포크 간 신뢰도 분포에 무작위성을 도입함으로써 관찰-행동 공격에 효과적으로 대응한다.