[논문 리뷰] Scalable Consensus Protocols for PoW based Blockchain and blockDAG

B. Swaroopa Reddy, G. V. V. Sharma|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 12.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 19인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 Proof-of-Work (PoW) 블록체인을 위한 두 가지 확장 가능한 합의 프로토콜을 제안한다: Erdös-Rényi 네트워크 모델링을 사용한 최장체인 블록체인을 위한 최적의 블록 생성 속도 모델과, 악성 블록을 군집화하고 정상 블록을 위상순으로 정렬함으로써 처리량을 향상시키고 이중 지출 공격에 저항하는 새로운 비지도 학습 기반의 blockDAG 합의 프로토콜(UL-blockDAG)이다. UL-blockDAG 프로토콜은 강력한 공정성과 보안성을 유지하면서 최대 초당 1개의 블록 처리량을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose two models for scaling the transaction throughput in Proof-of-Work (PoW) based blockchain networks. In the first approach, a mathematical model has derived for optimal transaction throughput for PoW based longest chain rule blockchain. In this approach, the blockchain Peer-to-Peer (P2P) network is considered as Erdös-Rényi random network topology. This approach is however limited by the block creation rate, the results suggest that the rate beyond an optimal point can result in unfairness in the system. The second approach is a new consensus protocol proposed by considering the ledger as a Directed Acyclic Graph (DAG) called blockDAG instead of a chain of blocks. In this framework, we follow a two-step strategy that makes the system robust enough to handle the double-spend attacks. The first step involves the development of an unsupervised learning graph clustering algorithm for separating the blocks created by an attacker. In the second step, the attackers blocks are eliminated and the remaining blocks are arranged in topological order by honest clients which makes the blockDAG system suitable for smart contract applications found in Internet of Things (IoT) services. The Simulation results demonstrate a significant improvement in the transaction throughput compared to bitcoin.

연구 동기 및 목표

• 비트코인의 10분 블록 간격으로 인한 낮은 거래 처리량(3-4 TPS)과 확장성 한계를 해결하기 위해.
• 높은 해시율을 가진 마이너가 지배하는 것을 방지하기 위해 블록 생성 속도를 최적화함으로써 PoW 블록체인의 공정성을 향상시키기 위해.
• 이중 지출 공격에 저항할 수 있는, DAG 기반 레지스트리(블록DAG)를 위한 안정적이고 확장 가능한 합의 메커니즘을 설계하기 위해.
• 정상 블록의 위상순 정렬을 통해 IoT 및 스마트 컨트랙트 응용 프로그램을 위한 빠르고 신뢰할 수 있는 거래 확인을 가능하게 하기 위해.
• 마이너와 그들의 해시율 간 비례 보상 분배를 유지함으로써 시스템의 공정성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 블록체인 P2P 네트워크를 Erdös-Rényi 무작위 그래프로 모델링하여, 블록 생성 속도(\lambda)에 대한 주체인 체인 성장률을 오목 함수로 유도한다.
• 공격자 해시율(q)과 네트워크 지연 직경(D)의 제약 조건 하에 거래 처리량(TPS)을 최대화하는 최적화 문제를 수립하여 최적의 \lambda = 1/D를 도출한다.
• UL-blockDAG: 두 단계 합의 프로토콜을 제안하며, 노드들이 먼저 이중 지출 공격자로부터 생성된 블록을 낮은 상호 연결성 기반으로 비지도 스펙트럼 그래프 군집화를 통해 분리한다.
• 군집화 후, 잘 연결된 나머지 블록(정상 블록)은 위상 정렬을 통해 선형적이고 순서가 지정된 레지스트리로 정렬되어 스마트 컨트랙트에 적합한 형태로 구성된다.
• 시뮬레이션을 통해 공격자 해시율(q = 0.33 및 q = 0.51) 변화에 따라 블록 성장률, 공정성, 이중 지출 저항성을 검증한다.
• 이론적 확인 시간 하한과 시뮬레이션된 블록 성장률을 비교하여 효율성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PoW 기반 최장체인 블록체인에서 거래 처리량을 최대화하면서도 공정성을 유지하기 위한 최적의 블록 생성 속도(\lambda)는 무엇인가?
• RQ2 최적 값 이상으로 \lambda를 증가시키면 시스템의 공정성과 이중 지출 공격 위험에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비지도 그래프 군집화가 블록DAG 구조에서 공격자에 의해 생성된 블록을 효과적으로 탐지하고 분리하는 데에 유용한가?
• RQ4 블록DAG 내에서 정상 블록의 위상 정렬이 IoT 및 스마트 컨트랙트에 적합한 빠르고 안전하며 결정적인 거래 확인을 가능하게 하는가?
• RQ5 공격 조건이 변화하는 상황에서도 UL-blockDAG 프로토콜이 마이너와 그들의 해시율 간 비례 보상 분배를 어떻게 유지하는가?

주요 결과

• 최적의 블록 생성 속도는 D가 네트워크의 지연 직경일 때 \lambda = 1/D이며, 이는 처리량을 극대화하면서도 공정성을 유지한다.
• 1/D를 초과하여 \lambda를 가속화할 경우, 높은 해시율 마이너가 지배하게 되어 공정성이 떨어지고 이중 지출 위험이 증가한다.
• UL-blockDAG 프로토콜은 낮은 상호 연결성 기반의 비지도 그래프 군집화를 통해 공격자 블록을 성공적으로 분리한다(q = 0.33 및 q = 0.51).
• 필터링 후 남은 정상 블록은 위상 정렬을 통해 정렬되어 스마트 컨트랙트 응용 프로그램을 위한 빠르고 결정적인 확인을 가능하게 한다.
• UL-blockDAG 프로토콜은 약 1초당 1개의 블록 생성 속도를 달성하여 비트코인의 3-4 TPS보다 훨씬 높은 처리량을 제공한다.
• 시뮬레이션 결과, 최적의 최장체인 모델과 UL-blockDAG 모두에서 마이너의 보상 비율이 해시율 비율과 매우 유사하게 유지되어 공정성이 보장됨을 확인했다.