[논문 리뷰] Resource Pools and the CAP Theorem

Andrew Lewis-Pye, Tim Roughgarden|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 18.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 16인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 자원 풀을 통해 사용자 선택을 추상화함으로써 비허가 블록체인 프로토콜을 분석하는 통합 프레임워크를 제안한다. 이는 작업 증명(PoW)과 스테이킹 증명(PoS) 메커니즘을 모두 반영한다. 연구는 부분적으로 동기적 환경에서, 자원 풀 크기의 사전 지식이 없이도 최종성(finality)과 적응성(adaptivity)을 동시에 달성할 수 없다는 CAP 정리의 유사판을 증명한다.

ABSTRACT

Blockchain protocols differ in fundamental ways, including the mechanics of selecting users to produce blocks (e.g., proof-of-work vs. proof-of-stake) and the method to establish consensus (e.g., longest chain rules vs. BFT-inspired protocols). These fundamental differences have hindered "apples-to-apples" comparisons between different categories of blockchain protocols and, in turn, the development of theory to formally discuss their relative merits. This paper presents a parsimonious abstraction sufficient for capturing and comparing properties of many well-known permissionless blockchain protocols, simultaneously capturing essential properties of both proof-of-work and proof-of-stake protocols, and of both longest-chain-type and BFT-type protocols. Our framework blackboxes the precise mechanics of the user selection process, allowing us to isolate the properties of the selection process which are significant for protocol design. We illustrate our framework's utility with two results. First, we prove an analog of the CAP theorem from distributed computing for our framework in a partially synchronous setting. This theorem shows that a fundamental dichotomy holds between protocols (such as Bitcoin) that are adaptive, in the sense that they can function given unpredictable levels of participation, and protocols (such as Algorand) that have certain finality properties. Second, we formalize the idea that proof-of-work (PoW) protocols and non-PoW protocols can be distinguished by the forms of permission that users are given to carry out updates to the state.

연구 동기 및 목표

• 모든 기반 공인 메커니즘(PoW 대비 PoS)이나 아키텍처(가장 긴 체인 대비 BFT)에 관계없이 다양한 비허가 블록체인 프로토콜을 분석할 수 있는 통합 수학적 프레임워크를 개발하는 것.
• 사용자 선택 과정의 영향을 분리하고 형식화하기 위해 그 내부 메커니즘을 블랙박싱하는 자원 풀 추상화를 통해 프로토콜 성질에 미치는 영향을 정의하는 것.
• 특히 부분적으로 동기적 네트워크에서 블록체인 프로토콜의 최종성과 적응성 간의 근본적 상충 관계를 명확히 하는 것.
• 사용자 선택과 상태 업데이트 로직을 분리함으로써 모듈러한 프로토콜 설계 및 분석을 가능하게 하는 것.
• 향후 게임 이론적 확장과 다양한 프로토콜 유형에서의 확인 증명(formalization of confirmation proofs)을 위한 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 각 사용자가 블록체인 상태 업데이트 권한을 가지는 데 필요한 자원(예: 해시레이트 또는 스테이킹)을 보유하는 '자원 풀' 모델을 도입한다.
• 자원 풀 크기가 알려진 경우(PoS 등)를 위한 '크기가 정해진(sized)' 설정과 크기가 알려지지 않은 경우(PoW 등)를 위한 '크기가 정해지지 않은(unsized)' 설정을 구분하여 불확실성 하에서의 프로토콜 행동을 분석한다.
• 메시지 지연과 최종적 동기화를 모델링함으로써 생존성(liveness)과 일致성(consistency)을 연구하기 위해 부분적으로 동기적 네트워크 모델을 적용한다.
• 자원 풀 크기의 사전 지식 없이도 작동하는 적응성의 정의와 블록의 영구적 확정을 의미하는 최종성의 정의를 사용하여 프로토콜의 상충 관계를 분석한다.
• 분산 시스템에서의 불가능성 증명 기법을 활용하여, 크기가 정해지지 않은 설정에서는 최종성과 적응성이 동시에 성립할 수 없음을 증명한다.
• 확인 메커니즘을 비교한다: BFT 프로토콜은 서명된 객체를 통해 확인 증거를 제공하지만, 적응형 프로토콜은 확인 여부를 검증하기 위해 전체 메시지 상태를 점검해야 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비트코인(PoW, 가장 긴 체인)과 알고랜드(PoS, BFT)와 같은 근본적으로 다른 블록체인 프로토콜을 비교할 수 있는 통합 프레임워크를 개발할 수 있는가?
• RQ2 구현 세부 사항과 무관하게 프로토콜 행동을 결정하는 사용자 선택 과정의 핵심 성질은 무엇인가?
• RQ3 부분적으로 동기적 네트워크 가정 하에서 비허가 블록체인에서 최종성과 적응성 간의 근본적 상충 관계가 존재하는가?
• RQ4 최종성 기반 프로토콜(예: 알고랜드)과 적응형 프로토콜(예: 비트코인) 간의 확인 메커니즘은 어떻게 다른가? 이는 신뢰성과 검증에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 사용자 선택과 합의 로직을 분리함으로써 이 프레임워크가 모듈러한 프로토콜 설계를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 논문은 블록체인 프로토콜에 대해 CAP 정리의 유사판을 증명한다: 부분적으로 동기적 네트워크에서 자원 풀 크기를 사전에 알지 못하는 한, 프로토콜이 동시에 최종성과 적응성을 보장할 수 없다.
• 최종성을 달성하는 프로토콜(예: 알고랜드)은 자원 풀 크기의 지식이 필요하며 적응성이 없고, 반대로 적응성을 가지는 프로토콜(예: 비트코인)은 최종성을 제공할 수 없다.
• 크기가 정해진(settings)과 크기가 정해지지 않은(settings) 설정 간의 구분이 핵심적이다: 크기가 정해지지 않은 설정에서는 동일한 일치성 및 생존성 보장 하에 최종성은 달성할 수 없다.
• BFT 스타일 프로토콜에서 최종성은 위원회 서명 등의 서명된 객체 집합을 통해 확립되며, 이는 자가 포함된 확인 증거로서 기능한다.
• 비트코인과 같은 적응형 프로토콜에서는 확인이 자명하지 않다. 사용자는 블록이 여전히 확정된 상태인지 판단하기 위해 전체 메시지 상태를 점검해야 한다.
• 이 프레임워크는 프로토콜 유형 간 형식적 비교를 가능하게 하며, 사용자 선택 메커니즘을 '허가자(permitters)' 인터페이스로 추상화함으로써 모듈러한 프로토콜 설계를 지원한다.