[논문 리뷰] Shard Scheduler: object placement and migration in sharded account-based blockchains

Michał Król, Onur Ascigil외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 15.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 32인용 수 8

한 줄 요약

Shard Scheduler는 계정 기반 분할 블록체인에서 오브젝트 배치 및 마이그레이션을 최적화하기 위한 결정론적이고 검증 가능한 시스템이다. 60개의 샤드를 사용할 경우 크로스-샤드 트랜잭션을 50% 감소시키며, 처리량을 3배로 증가시키고, Chainspace의 처리량을 200% 이상 향상시키면서 사용자 지연을 70% 감소시킨다. 이는 동적 로드 밸런싱과 인cent라이브가 맞춰진 마이그레이션 결정 덕분이다.

ABSTRACT

We propose Shard Scheduler, a system for object placement and migration in account-based sharded blockchains. Our system calculates optimal placement and decides of object migrations across shards and supports complex multi-account transactions caused by smart contracts. Placement and migration decisions made by Shard Scheduler are fully deterministic, verifiable, and can be made part of the consensus protocol. Shard Scheduler reduces the number of costly cross-shard transactions, ensures balanced load distribution and maximizes the number of processed transactions for the blockchain as a whole. It leverages a novel incentive model motivating miners to maximize the global throughput of the entire blockchain rather than the throughput of a specific shard. Shard Scheduler reduces the number of costly cross-shard transactions by half in our simulations, ensuring equal load and increasing the throughput 3 fold when using 60 shards. We also implement and evaluate Shard Scheduler on Chainspace, more than doubling its throughput and reducing user-perceived latency by 70% when using 10 shards.

연구 동기 및 목표

• 자주 발생하는 크로스-샤드 트랜잭션과 로드 불균형으로 인한 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 데이터 국소성 향상과 트랜잭션 비용 감소를 위해 동적, 결정론적, 검증 가능한 오브젝트 마이그레이션을 가능하게 하기 위해.
• 마이너 성능이 아닌 전체 블록체인 처리량을 극대화하는 데에 기여하도록 마이너 행동을 유도하는 인센티브 메커니즘 설계하기 위해.
• 클라이언트 측 변경 사항이나 추가 공인 라운드 없이 기존 분할 블록체인 프로토콜에 원활하게 통합하기 위해.
• 새로운 수수료-인센티브 모델을 통해 마이그레이션 결정이 경량화되고 효율적이며 경제적으로 타당하도록 보장하기 위해.

제안 방법

• 기본적으로 결정론적 해시 기반 오브젝트-샤드 매핑을 사용하며, 트랜잭션 액세스 패턴을 바탕으로 동적 마이그레이션 결정을 확장한다.
• 마이너를 전역 처리량 향상 기반으로 보상하는 새로운 인센티브 모델을 적용한다. 샤드별 성능이 아닌 전체 시스템 성능을 기준으로 한다.
• 추가적인 공인 메시지나 계산 오버헤드 없이도 마이그레이션 계획을 계산할 수 있는 경량이고 검증 가능한 스케줄러를 도입한다.
• 이력 트랜잭션 액세스 패턴을 활용해 자주 상호작용하는 계정들을 동일한 샤드로 사전에 재할당함으로써 예측 가능한 마이그레이션을 수행한다.
• 마이너가 독립적으로 마이그레이션 결정을 검증하고 이행함으로써 공인 안정성과 일관성을 확보한다.
• Chainspace 및 이더리움 2.0과 같은 기존 분할 블록체인 프로토콜과 통합되며, 마이너 소프트웨어에 최소한의 수정만 필요로 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분할 블록체인에서 계정 기반 오브젝트의 배치 및 마이그레이션을 어떻게 최적화하여 크로스-샤드 트랜잭션을 최소화할 수 있는가?
• RQ2 결정론적이고 검증 가능한 마이그레이션 스케줄러는 공인 오버헤드 없이도 전체 블록체인 처리량을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 마이너 행동을 전체 시스템 처리량 극대화에 기여하도록 유도할 수 있는 인센티브 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 동적 오브젝트 마이그레이션은 사용자 인지 지연을 줄이고 샤드 간 로드 밸런싱을 얼마나 효과적으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 마이그레이션 결정은 얼마나 경량화되고 기존 분할 블록체인 아키텍처에 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 60개의 샤드를 사용한 시뮬레이션에서 Shard Scheduler는 크로스-샤드 트랜잭션 수를 50% 감소시켜 트랜잭션 비용을 크게 낮춘다.
• 60개의 샤드에서 시스템은 정적 해시 기반 배치 대비 전역 블록체인 처리량을 3배로 증가시킨다.
• 10개의 샤드를 사용한 Chainspace에 구현했을 때, Shard Scheduler는 처리량을 2배 이상으로 끌어올리며 사용자 인지 지연을 70% 감소시켰다.
• 자주 상호작용하는 계정들을 동일한 샤드로 사전 이관함으로써 샤드 간 로드 밸런싱을 확보한다.
• 인센티브 모델은 마이너가 전체 시스템 성능 향상에 기여할수록 더 높은 수수료를 얻을 수 있도록 하여, 전역 처리량 우선 전략을 유도한다.
• 마이그레이션 결정은 완전히 결정론적이며 모든 네트워크 참여자가 검증 가능하므로, 추가적인 공인 라운드 없이도 신뢰할 수 있는 실행이 가능하다.