[논문 리뷰] Strong Federations: An Interoperable Blockchain Solution to Centralized Third-Party Risks

Johnny Dilley, Andrew Poelstra외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 16.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 19인용 수 56

한 줄 요약

이 논문은 중앙 집중화된 제3자 없이 블록체인 간 신뢰할 수 없고 비밀 유지되며 상호 운용 가능한 자산 이전을 가능하게 하는 비잔틴 결함에 강건하고 공개적으로 검증 가능한 합의 메커니즘인 스테롱 페더레이션(Strong Federations)을 소개한다. 다중 서명 기능자와 하드웨어 보안 모듈, 사이드체인 아키텍처를 조합함으로써 리퀴드 네트워크에서 구현된 바, 거래 지연을 줄이고 프라이버시를 향상시키면서도 최종성과 암호학적 보안을 유지한다.

ABSTRACT

Bitcoin, the first peer-to-peer electronic cash system, opened the door to permissionless, private, and trustless transactions. Attempts to repurpose Bitcoin's underlying blockchain technology have run up against fundamental limitations to privacy, faithful execution, and transaction finality. We introduce \emph{Strong Federations}: publicly verifiable, Byzantine-robust transaction networks that facilitate movement of any asset between disparate markets, without requiring third-party trust. \emph{Strong Federations} enable commercial privacy, with support for transactions where asset types and amounts are opaque, while remaining publicly verifiable. As in Bitcoin, execution fidelity is cryptographically enforced; however, \emph{Strong Federations} significantly lower capital requirements for market participants by reducing transaction latency and improving interoperability. To show how this innovative solution can be applied today, we describe \emph{\liquid}: the first implementation of \emph{Strong Federations} deployed in a Financial Market.

연구 동기 및 목표

• 비트코인의 작업증명 합의 방식의 한계, 즉 느린 거래 최종성과 부족한 프라이버시로 인해 상업적 도입이 저해되는 문제를 해결하기 위해.
• 기존 금융 시스템과 리플, 스타링크와 같은 기존의 블록체인 솔루션에서 발생하는 중앙 집중화된 제3자 위험을 제거하기 위해.
• 기밀 거래와 다중 시장 간 상호 운용성을 가능하게 하면서도 공개 검증 가능성과 비잔틴 결함 내성성을 유지하는 연합 합의 모델을 설계하기 위해.
• 장기 확인 시간과 고유동성 요구 사항에 의존도를 줄임으로써 실시간 정산과 자본 효율성 향상을 위해.
• 신뢰를 훼손하거나 공격 표면을 넓히지 않으면서도 블록체인 프로토콜의 진화를 위한 안전하고 업그레이드 가능하며 감사 가능한 메커니즘을 제공하기 위해.

제안 방법

• 모든 블록에 대해 글로벌하게 분산된 강화된 기능자들 중 초과 과반수인 $k$-of-$n$ 다중 서명 기법을 사용하여 비잔틴 결함 내성성과 합의 무결성을 보장한다.
• 하드웨어 보안 모듈(HSMs)을 사용해 서명 결정을 암호학적으로 강제 적용하고, 불법 또는 충돌하는 블록 서명을 방지한다.
• 비트코인의 소프트포크 모델을 영감으로 삼아 형식화되고 감사 가능한 업그레이드 경로를 설계하여 초과 과반수 합의와 제3자 코드 검토를 통해 점진적인 프로토콜 개선을 가능하게 한다.
• 기밀 거래와 네이티브 자산을 통합하여 이질적인 시장 간에 자산 유형과 금액이 비밀 유지되면서도 암호학적으로 검증 가능한 이전를 가능하게 한다.
• 비트코인의 보안을 양방향 페그를 통해 활용하는 사이드체인 아키텍처(예: 리퀴드)를 통해 솔루션을 구현하며, 거래 처리는 오프체인에서 이루어지고 강력한 최종성을 확보한다.
• 모든 참가자가 중심 기관에 의존하지 않고도 암호학적으로 레지스트리 상태의 정확성과 일관성을 공개적으로 검증할 수 있는 신뢰 최소화 및 공개 검증 가능한 시스템을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비잔틴 결함 내성성과 낮은 지연 시간을 확보하면서도 작업증명이나 중앙 집중화된 중개자에 의존하지 않고 강력한 최종성과 실시간 정산을 달성할 수 있는 블록체인 시스템은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 연합 합의 모델이 기밀 거래와 자산 간 상호 운용성을 가능하게 하면서도 공개 검증 가능성과 비잔틴 결함에 저항할 수 있는가?
• RQ3 탈중앙화된 연합 내에서 공격 표면을 추가하지 않고도 안전하고 감사 가능하며 업그레이드 가능한 프로토콜 진화 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 하드웨어 보안 모듈은 합의 시스템에 효과적으로 통합되어 악성 또는 충돌하는 블록 서명을 방지할 수 있는가?
• RQ5 다중 서명 기능자를 갖춘 사이드체인 아키텍처는 네이티브 작업증명 블록체인에 비해 자본 요구량을 얼마나 줄이고 유동성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 스테롱 페더레이션은 다중 서명 기능자 네트워크를 통해 비트코인의 10분 블록 시간을 대체하여 거의 즉각적인 정산을 가능하게 하여 실시간 거래 최종성을 달성한다.
• 시스템은 암호학적 최종성과 재조정에 저항하며, 기능자 쿠레의 완전한 해킹 이외에는 거래 취소가 불가능하다.
• 기밀 거래와 네이티브 자산이 네이티브로 지원되어 자산 유형과 금액이 비밀 유지되면서도 모든 참가자가 암호학적으로 검증할 수 있다.
• 업그레이드 메커니즘은 비트코인의 소프트포크 프로세스를 모델로 삼아 안전하고 감사 가능하며 초과 과반수 합의를 얻은 프로토콜 변경을 가능하게 하여 악성 또는 손상된 업그레이드의 위험을 줄인다.
• 첫 번째 실사용 배포인 리퀴드는 스테롱 페더레이션이 상업적 시장에서 높은 처리량, 비밀 유지, 상호 운용성과 함께 대체 계약자 위험을 줄이는 데 성공했음을 보여준다.
• 양방향 페그를 통해 비트코인의 작업증명 보안을 활용함으로써 스테롱 페더레이션은 비트코인의 보안 모델을 이어받으면서도 상업적 사용 사례에서 성능과 프라이버시를 크게 향상시킨다.