[논문 리뷰] Scaling Blockchains: Can Committee-Based Consensus Help?

Alon Benhaim, Brett Hemenway외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 16.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 블록체인에서 위원회 기반 공감(Committee-Based Consensus, CBC)을 조사하며, 승인 투표가 로또 기반 또는 단일 선택 투표보다 더 빠르고 안전하며 더 작은 위원회를 가능하게 한다고 보여준다. 복잡한 최적의 투표 전략이 존재하더라도 직관적인 투표 행동은 최적 상태로 지수적으로 수렴하므로, CBC는 기존의 스테이크 가중 로또 프로토콜(예: 이더리움의 프로토콜)보다 더 견고하고 효율적이다.

ABSTRACT

In the high-stakes race to develop more scalable blockchains, some platforms (Binance, Cosmos, EOS, TRON, etc.) have adopted committee-based consensus (CBC) protocols, whereby the blockchain's record-keeping rights are entrusted to a committee of elected block producers. In theory, the smaller the committee, the faster the blockchain can reach consensus and the more it can scale. What's less clear, is whether such protocols ensure that honest committees can be consistently elected, given blockchain users typically have limited information on who to vote for. We show that the approval voting mechanism underlying most CBC protocols is complex and can lead to intractable optimal voting strategies. We empirically characterize some simpler intuitive voting strategies that users tend to resort to in practice and prove that these nonetheless converge to optimality exponentially quickly in the number of voters. Exponential convergence ensures that despite its complexity, CBC exhibits robustness and has some efficiency advantages over more popular staked-weighted lottery protocols currently underlying many prominent blockchains such as Ethereum.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 블록체인 시스템에서 위원회 기반 공감(CBC) 프로토콜의 실현 가능성과 효율성을 분석하기.
• 제한된 정보를 가진 블록체인 사용자가 승인 투표를 통해 신뢰할 수 있고 효율적인 위원회를 효과적으로 선출할 수 있는 방법을 조사하기.
• 보안 및 성능 측면에서 기존 메커니즘(예: 스테이크 가중 로또 및 단일 선택 투표)과 비교하여 승인 투표를 사용한 CBC의 성능을 평가하기.
• 부적절하지만 실용적인 투표 전략 하에서 승인 투표의 견고성 평가하기.
• 위원의 크기, 투표자 행동, 수렴 속도가 공감 효율성과 탈중앙화에 미치는 영향 탐색하기.

제안 방법

• 투표자가 여러 후보자를 지지할 수 있는 승인 투표 방식을 사용해 블록체인 위원회 선거를 모델링한다.
• cardinal voting 전략(예: 상위-k명의 후보자에게 투표)을 분석하고 최적 전략과 비교한다.
• 다양한 위원회 선정 메커니즘 하에서 블록 생성 성공 확률을 모델링하기 위해 포아송 이항분포 및 일반화된 포아송 이항분포를 사용한다.
• 실패율과 투표 전략의 수렴 속도를 평가하기 위해 100,000개의 샘플을 사용한 실험적 시뮬레이션을 수행한다.
• 투표자 수가 증가함에 따라 부적절한 투표 전략이 최적 성능으로 지수적으로 수렴함을 증명한다.
• 동일한 보안 기준 하에서 로또 기반, 단일 선택, 승인 기반 공감의 위원회 크기 요구 조건을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 승인 투표를 사용한 위원회 기반 공감이 스테이크 가중 로또 프로토콜보다 실패율과 필요 위원회 크기 측면에서 뛰어나게 되는가?
• RQ2 대규모 블록체인 선거에서 직관적이고 비최적의 투표 전략이 최적 성능으로 수렴하는 데 얼마나 빠른가?
• RQ3 투표자 정보 제한이 탈중앙화된 블록체인에서 위원회 선거의 효과성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 승인 투표가 단일 선택 및 로또 기반 메커니즘과 비교해 안전하고 효율적인 공감을 달성하는 데 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 초기 블록체인 라이프사이클에서 정체성이 발생할 수 있음에도 불구하고, 승인 투표가 탈중앙화와 체인 품질을 어느 정도 유지하는가?

주요 결과

• 동일한 수준의 보안을 확보하기 위해 승인 투표는 로또 기반 공감보다 훨씬 작은 위원회 크기를 가능하게 하며, 실패율을 감소시킨다.
• 부적절한 카디널리티 임계값(예: 상위 5명의 후보자에게만 투표)을 사용하더라도, 투표 전략은 투표자 수가 증가함에 따라 지수적으로 최적 성능으로 수렴한다.
• 동일한 조건 하에서 승인 기반 공감의 실패율은 단일 선택 및 로또 기반 메커니즘보다 낮다.
• 이론적 분석을 통해 투표자가 단순화된 전략을 사용할 경우에도 승인 투표가 다른 메커니즘보다 보안 및 효율성 측면에서 뛰어나다는 것이 확인된다.
• 초기 블록체인 단계에서 정체성이 발생할 수 있는 문제에도 불구하고, 승인 투표는 기존 프로토콜 대비 견고성과 확장성의 이점을 유지한다.
• 지수적 수렴과 성능 우월성에 대한 정성적 통찰은 스테이크 가중 투표 조건에서도 유지되지만, 분포 함수는 더 복잡해진다.