[논문 리뷰] Speeding up Block Propagation in Blockchain Network: Uncoded and Coded Designs

Lihao Zhang, Taotao Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 02.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 기존 공인 메커니즘을 변경하지 않고도 블록체인의 거래 처리량을 100배 향상시키는 새로운 블록 전파 프로토콜을 제안한다. 커팅-스러운 전달과 비율 없는 에러 코딩을 압축 블록 전파와 융합함으로써, 큰 블록일 경우에도 블록 전파 지연을 줄이며 보안성을 유지하고 기존 블록체인 네트워크에 원활하게 통합할 수 있다.

ABSTRACT

We design and validate new block propagation protocols for the peer-to-peer (P2P) network of the Bitcoin blockchain. Despite its strong protection for security and privacy, the current Bitcoin blockchain can only support a low number of transactions per second (TPS). In this work, we redesign the current Bitcoin's networking protocol to increase TPS without changing vital components in its consensus-building protocol. In particular, we improve the compact-block relaying protocol to enable the propagation of blocks containing a massive number of transactions without inducing extra propagation latencies. Our improvements consist of (i) replacing the existing store-and-forward compact-block relaying scheme with a cut-through compact-block relaying scheme; (ii) exploiting rateless erasure codes for P2P networks to increase block-propagation efficiency. Since our protocols only need to rework the current Bitcoin's networking protocol and does not modify the data structures and crypto-functional components, they can be seamlessly incorporated into the existing Bitcoin blockchain. To validate our designs, we perform analysis on our protocols and implement a Bitcoin network simulator on NS3 to run different block propagation protocols. The analysis and experimental results confirm that our new block propagation protocols could increase the TPS of the Bitcoin blockchain by 100x without compromising security and consensus-building.

연구 동기 및 목표

• 강력한 보안성에도 불구하고 실제 응용 분야의 보급을 제한하는 비트코인과 이더리움의 낮은 거래 처리량(TPS) 문제를 해결하기 위해.
• 공인 프로토콜이나 데이터 구조를 수정하지 않고도 TPS를 향상시키며, 블록체인 보안성과 프라이버시를 유지하기 위해.
• 큰 블록을 전송할 경우 지연이 증가해 스테일 블록 비율이 상승하고 보안이 약화되는 문제를 완화하기 위해.
• 기존 블록체인 네트워크에 쉽게 통합할 수 있는 확장성 있고 후행 호환성 있는 네트워킹 프로토콜을 설계하기 위해.

제안 방법

• 블록 청크를 병렬로 수신하고 전달할 수 있도록 스토어-앤드-포워드 방식의 압축 블록 전파 방식을 커팅-스러운 전달 메커니즘으로 대체함으로써 성능 향상.
• 비율 없는 에러 코딩을 도입하여 피어가 인코딩된 기호의 임의의 부분집합으로도 원본 블록을 재구성할 수 있도록 하여 내성성과 대역폭 활용도 향상.
• 커팅-스러운 전달와 비율 없는 코딩을 융합한 Coded Cut-through Compact Block Relaying(Coded Cut-through CBR) 프로토콜을 설계하여 최적의 효율성 확보.
• 이론적 선형 네트워크 모델을 사용하여 프로토콜 성능를 분석하고 설계 가정을 검증함.
• NS3를 사용하여 전체 비트코인 네트워크 시뮬레이터를 구현하여 다양한 블록 크기와 프로토콜 조건에서 지연, 스테일 블록 비율, 전파 분산 정도를 평가함.
• 표준 전파(SR), 압축 블록 전파(CBR), 커팅-스러운 CBR, Coded Cut-through CBR의 네 가지 프로토콜을 1 MB에서 100 MB까지의 블록 크기 범위에서 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 블록 환경에서 스토어-앤드-포워드 및 압축 블록 전파 방식과 비교해 커팅-스러운 전달이 블록 전파 지연을 줄일 수 있는가?
• RQ2 비율 없는 에러 코딩이 P2P 블록체인 네트워크에서 블록 전파 효율성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 커팅-스러운 전달과 비율 없는 코딩의 조합이 블록 크기가 100배 증가하더라도 낮은 전파 지연을 유지할 수 있는가?
• RQ4 다양한 전파 프로토콜 하에서 블록 크기가 증가함에 따라 전파 분산 요인 Δ과 스테일 블록 비율은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 제안된 프로토콜이 공인 메커니즘이나 데이터 구조를 변경하지 않고도 TPS를 100배 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 100 MB 블록 전파 시 커팅-스러운 CBR는 표준 전파(SR) 대비 중앙값 전파 지연을 최대 3배 감소시키고 꼬리 지연을 100배 이상 감소시킴.
• Coded Cut-through CBR는 다양한 k 값(코드율)에 대해 커팅-스러운 CBR 대비 중앙값 및 꼬리 지연을 최대 2배 감소시킴.
• 최적의 k 값으로 설정된 Coded Cut-through CBR의 전파 분산 요인 Δ은 1 MB 블록 크기에서 SR과 동일한 수준을 유지하며, 블록 크기가 100 MB로 증가하더라도 동일한 수준을 유지함.
• 블록 크기가 1 MB에서 100 MB로 증가할 경우 CBR의 스테일 블록 비율은 약 30배 증가하지만, Coded Cut-through CBR의 경우 비율이 낮게 유지되어 보안성이 유지됨.
• 제안된 프로토콜은 공인 메커니즘이나 데이터 구조를 변경하지 않고도 동일한 전파 지연을 유지하면서 TPS를 100배 향상시킬 수 있음.
• 시뮬레이션 결과는 신규 프로토콜이 확장 가능하고, 안전하며 기존 비트코인 네트워크와 호환됨을 확인하였으며, 프로토콜 수준의 변경 없이도 구현이 가능함.