[논문 리뷰] StakeDag: Stake-based Consensus For Scalable Trustless Systems

Quan Nguyen, André Cronje외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 05.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 20인용 수 5

한 줄 요약

StakeDag는 신뢰할 수 없는 시스템에서 확장성 있고 리더가 없는 비잔틴 결함 내성(BFT) 합의를 가능하게 하기 위해 DAG 아키텍처 기반의 스테이킹 기반 합의 프로토콜 $S_{\ho}$를 제안한다. 검증 권한을 스테이킹 비율에 비례하게 부여하고, Clotho/Atropos 최종성 기반의 계층적 이벤트 구성 방식을 사용함으로써 일관된 최종성과 효율적인 거래 확인을 달성하며, 실용적인 BFT 보장을 제공한다.

ABSTRACT

Trustless systems, such as those blockchain enpowered, provide trust in the system regardless of the trust of its participants, who may be honest or malicious. Proof-of-stake (PoS) protocols and DAG-based approaches have emerged as a better alternative than the proof of work (PoW) for consensus. This paper introduces a new model, so-called \emph{\stakedag}, which aims for PoS consensus in a DAG-based trustless system. We address a general model of trustless system in which participants are distinguished by their stake or trust: users and validators. Users are normal participants with a no assumed trust and validators are high profile participants with an established trust. We then propose a new family of stake-based consensus protocols $\mathfrak{S}$, operating on the DAG as in the Lachesis protocol~\cite{lachesis01}. Specifically, we propose a stake-based protocol $S_ϕ$ that leverages participants' stake as validating weights to achieve more secure distributed systems with practical Byzantine fault tolerance (pBFT) in leaderless asynchronous Directed Acyclic Graph (DAG). We then present a general model of staking for asynchronous DAG-based distributed systems.

연구 동기 및 목표

• 신뢰할 수 없는 시스템을 위한 확장성 있고 리더가 없는 합의 프로토콜을 설계하여, 스테이킹을 검증 권한 측정 기준으로 활용한다.
• PoW와 전통적 PoS의 한계를 해결하기 위해 DAG 기반의 이벤트 전파 방식을 통해 에너지 소비를 감소시키고 확인 속도를 향상시킨다.
• 스테이킹 가중치 기반의 검증과 계층적 이벤트 순서를 활용하여 이국적이고 분산된 네트워크에서 실용적인 비잔틴 결함 내성(pBFT)을 달성한다.
• Clotho와 Atropos 블록 기반의 새로운 루트 선택 및 메인 체인 구축 메커니즘을 통해 분산 레거시에서 강력한 일관성과 최종성을 보장한다.
• 위임, 거래 기반 스테이킹, 동적 가중치 할당을 지원하는 스테이킹 모델을 정형화하여 보안성과 분산화를 향상시킨다.

제안 방법

• 이벤트 블록의 레이어는 라무프 타임스탬프 기반으로 할당되고 검증 권한이 스테이킹 비율에 비례하는 스테이킹 가중치 기반의 DAG 아키텍처인 S-OPERA 체인을 제안한다.
• 이벤트를 프레임에 할당하는 레이어링 메커니즘 $\phi_{LPL}$을 도입하여 깊이와 참조하는 검증 이벤트 수를 기반으로 하여 모든 노드에서 일관된 레이어링을 보장한다.
• 이전 프레임 이벤트의 다수(2/3) 지배를 기반으로 각 프레임의 루트를 식별하는 루트 선택 프로세스를 구현하여 일관된 체인 간 루트 그래프의 일관성을 확보한다.
• Clotho와 Atropos 블록을 최종성 마커로 정의한다: 루트가 이전 프레임의 루트들 중 2/3 이상을 지배할 경우 Clotho로 선택되고, 최종화된 Clotho는 메인 체인을 锚정한다.
• 각 이벤트에서 가중치가 부여된 루트로의 도달 가능성 여부를 추적하기 위해 플래그 테이블을 사용하여 모든 노드에서 일관된 검증 점수를 확보한다.
• Atropos 블록에서 구성된 메인 체인을 통해 글로벌 순서가 보장되고 최종화 가능한 레거시를 제공함으로써 빠른 거래 확인과 글로벌 상태 동기화를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리더가 없는 비동기적 DAG 기반 합의 프로토콜에서 스테이킹을 효과적으로 검증 권한 측정 기준으로 활용하여 실용적인 비잔틴 결함 내성(pBFT)을 달성할 수 있는가?
• RQ2 동적이고 비동기적인 네트워크 환경에서 분산된 노드 간 일관된 레이어링, 루트 선택, 최종성 마커(Clotho/Atropos) 할당을 보장하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 DAG 기반 레거시에서 직접 스테이킹과 위임을 모두 지원하면서도 보안성과 일관성을 유지할 수 있는 스테이킹 모델은 어떻게 설계될 수 있는가?
• RQ4 적대적 조건 하에서 스테이킹 가중치 기반의 DAG 시스템에서 일관성과 최종성에 대한 공식적인 보장을 어떻게 도출할 수 있는가?
• RQ5 계층적 이벤트 구조와 메인 체인 구성 방식은 확장성 있는 신뢰할 수 없는 시스템에서 효율적인 거래 확인과 글로벌 상태 추정을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• $S_{\rho}$ 프로토콜은 일관된 체인 내에서 모든 노드가 동일한 레이어를 할당하도록 보장하는 $\phi_{LPL}$ 레이어링 함수를 통해 일관된 레이어링을 달성한다.
• 일관된 체인 간에 루트 그래프가 일관되며, 두 체인이 일관될 경우 각 프레임에 대해 동일한 루트 집합을 할당하므로 이벤트의 조상 관계에 대한 글로벌 합의를 보장한다.
• 일관된 체인 내 이벤트에 대해 플래그 테이블과 검증 점수는 모든 노드에서 일관되며, 이는 일관된 루트 집합과 스테이킹 가중치에 의존하기 때문이다.
• Clotho와 Atropos 블록은 모든 정상 노드에서 일관되게 선택되며, 이는 메인 체인(최종화된 Atropos 블록으로 구성됨)이 모든 정상 노드에서 동일하게 유지됨을 의미한다.
• 메인 체인은 글로벌 순서가 보장되고 최종화 가능한 레거시를 제공하여 빠른 거래 확인, 글로벌 상태 추정, 충돌 거래 탐지 기능을 가능하게 한다.
• 공식적인 증명을 통해 프로토콜이 비동기적 DAG 환경에서 실용적인 비잔틴 결함 내성(pBFT)을 달성하며, 스테이킹 가중치 기반의 리더 없는 합의 메커니즘을 통해 최종성을 확보함을 입증한다.