[논문 리뷰] TOY: a Total ordering Optimistic sYstem for Permissioned Blockchains.

Yehonatan Buchnik, Roy Friedman|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 10.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 1

한 줄 요약

TOY는 최종 f+1 블록이 일시적이고, 제안자가 비잔틴일 경우 취소될 수 있는 옵timistic 실행을 사용하여 처리량을 향상시키는 허가된 블록체인 시스템이다. 이상적인 조건에서 단일 데이터 센터에서는 최대 초당 160,000笔의 거래를 처리하고, 10개 노드로 구성된 지리적으로 분산된 환경에서는 512바이트 거래 기준으로 초당 30,000笔의 처리량을 달성한다.

ABSTRACT

Blockchains are distributed secure ledgers to which transactions are issued continuously and each block is tightly coupled to its predecessors. Permissioned blockchains place special emphasis on transactions throughput. In this paper we present TOY, which leverages the iterative nature of blockchains in order to improve their throughput in optimistic execution scenarios. TOY trades latency for throughput in the sense that in TOY the last f+1 blocks of each node's blockchain are considered tentative, i.e., they may be rescinded in case one of the last f+1 blocks proposers was Byzantine. Yet, when optimistic assumptions are met, a new block is decided in each communication step, which consists of a proposer that sends only its proposal and all other participants are sending a single bit each. Our performance study demonstrates that in a single Amazon data-center, TOY running on 10 mid-range Amazon nodes obtains a throughput of up to 160K transactions per second for (typical Bitcoin size) 512 bytes transactions. In a 10 nodes Amazon geo-distributed setting with 512 bytes transactions, TOY obtains a throughput of 30K transactions per second.

연구 동기 및 목표

• 보안과 일致성을 유지하면서도 허가 블록체인에서 고처리량을 달성할 필요를 해결한다.
• 일반 운영 중 메시지 크기를 최소화하여 블록체인의 통신 오버헤드를 감소시킨다.
• 최근 f+1 블록에서 비잔틴 장애가 발생하지 않는 옵티미스틱 가정 하에 신속한 블록 최종화를 가능하게 한다.
• 단일 데이터 센터 및 지리적으로 분산된 환경을 포함한 실제 구현 환경에서의 성능을 최적화한다.
• 적은 양의 일시적 블록을 허용하여 옵티미스틱 조건에서 고처리량을 달성할 수 있도록 지연과 처리량의 균형을 맞춘다.

제안 방법

• 옵티미스틱 가정 하에 각 통신 단계에서 블록 최종화가 가능한 총순서화 메커니즘을 도입한다.
• 최근 f+1 블록은 일시적이라고 간주하여, 해당 블록의 제안자가 비잔틴일 경우 취소될 수 있음을 반영한다.
• 각 라운드당 노드당 단일 비트의 메시지로 참가자 간 통신을 제한하여 대역폭 사용을 크게 줄인다.
• 각 라운드에 제안자에게서 단일 제안 메시지만 전송하도록 허용하여 메시지 오버헤드를 최소화한다.
• 블록체인의 반복적 성격을 활용하여, 장애가 발생하지 않을 경우 신속한 블록 전파 및 최종화를 가능하게 한다.
• 필요에 따라 블록체인 재조정을 통해 비잔틴 장애에서 유연하게 회복할 수 있도록 시스템을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보안을 희생시키지 않고도 옵티미스틱 실행을 효과적으로 활용하여 허가 블록체인의 처리량을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 참가자당 라운드당 단일 비트의 통신 오버헤드로 줄였을 때, 어떤 정도의 성능 향상을 기대할 수 있는가?
• RQ3 최근 f+1 블록에서 비잔틴 장애가 발생하지 않는다고 가정할 경우, 블록체인 시스템의 구현 가능한 처리량은 얼마인가?
• RQ4 단일 데이터 센터와 지리적으로 분산된 배포 환경 등 다양한 네트워크 아키텍처에서 시스템의 처리량은 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 허가 블록체인 환경에서 일시적 블록을 사용할 경우, 지연과 처리량 사이의 상충 관계는 어떻게 되는가?

주요 결과

• 10대의 중급 성능 노드로 구성된 단일 아마존 데이터 센터에서, TOY는 512바이트 거래 기준으로 최대 초당 160,000笔의 처리량을 달성한다.
• 유사한 거래 크기의 10개 노드로 구성된 지리적으로 분산된 환경에서, TOY는 초당 30,000笔의 처리량을 달성한다.
• 최근 f+1 블록에서 비잔틴 장애가 감지되지 않는 옵티미스틱 조건 하에서도 시스템은 높은 처리량을 유지한다.
• 통신 오버헤드가 크게 감소하여, 각 비제안자 참가자당 라운드당 단일 비트의 메시지만 전송된다.
• 가정 조건이 성립할 경우, 모든 통신 단계에서 블록 최종화가 가능하여 기존의 공조 프rotocol에 비해 거래당 지연 시간을 크게 향상시킨다.
• 중앙집중형 및 분산형 네트워크 구성 모두에서 성능 향상이 일관되게 유지되어 강력한 확장성과 효율성을 입증한다.