[논문 리뷰] A survey of data transfer and storage techniques in prevalent cryptocurrencies and suggested improvements

Sunny Katkuri|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 10.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 이더리움, 나노, 아이오타의 데이터 전송 및 저장 메커니즘을 조사하며, 그래프린(Grpahene)과 쿠쿠우 필터(Cuckoo filters)를 사용한 최적화를 제안하여 대역폭과 블록 전파 지연을 줄입니다. 그래프린은 겐스(Geth)에 구현되어 이더리움 블록체인에서 검증되었으며, 시뮬레이션과 실제 노드 크롤링을 통해 높은 성능 향상을 입증했습니다. 또한 네트워크 중심화 위험과 프로토콜 비효율성에 주목했습니다.

ABSTRACT

This thesis focuses on aspects related to the functioning of the gossip networks underlying three relatively popular cryptocurrencies: Ethereum, Nano and IOTA. We look at topics such as automatic discovery of peers when a new node joins the network, bandwidth usage of a node, message passing protocols and storage schemas and optimizations for the shared ledger. We believe this is a topic that is often overlooked in works about blockchains and cryptocurrencies. Vulnerabilities and inefficiencies attain a higher significance than ones in a regular open source project because of the rather direct financial implications of these projects. Barring Bitcoin, a network that has been around for nearly 10 years, no other project has substantial documentation for its operational details other than scattered and sparse pages in the source code repositories. Almost all of the content described here has been extracted by studying the source code of the reference implementations of these projects. We evaluate the use of Invertible Bloom Lookup Tables and the Graphene protocol to decrease block propagation times and bandwidth usage of certain messages. We perform realistic simulations that show significant improvements. We provide a complete implementation of Graphene in Geth, Ethereum's main node software and test this implementation against the main Ethereum blockchain. We also crawled the chosen cryptocurrency networks for publicly visible nodes and provide an Autonomous System-level breakdown of these nodes with the end goal of estimating the ease of performing attacks such as BGP hijacks and their impact. Code written for implementing Graphene in Geth, performing various simulations and for other miscellaneous tasks has been uploaded to Github at https://github.com/sunfinite/masters-thesis.

연구 동기 및 목표

• 기존 문헌에서 다루지 않은 바가 많은 이더리움, 나노, 아이오타에서 사용하는 데이터 전송 및 저장 기법을 분석하고 문서화하기.
• 피어 발견, 블록 전파, 스토리지에서의 비효율성과 취약점을 규명하여 네트워크 성능과 보안에 영향을 미칠 수 있음을 밝히기.
• 대역폭 사용과 블록 전파 지연을 줄이기 위한 성능 최적화 기법—특히 그래프린과 쿠쿠우 필터—를 평가하고 구현하기.
• 공개 노드를 크롤링하여 자율 시스템(ASN) 분포를 분 析함으로써 BGP 하이재킹 위험 등을 추정하기 위한 네트워크 토폴로지 평가하기.
• 그래프린을 Geth에 완전히 구현하고 이더리움 메인넷에서 성능을 검증하는 개방형 소스 구현 제공하기.

제안 방법

• 공개 소스 기반 구현체에서 이더리움, 나노, 아이오타의 운영적 세부 사항을 역공학적으로 분석함.
• 블록 전파 최적화를 위해 IBLT(역가능한 블룸 룩업 테이블) 기반의 세트 재결합을 활용한 그래프린 프로토콜을 Geth에 구현함.
• 확률적 데이터 구조인 쿠쿠우 필터와 블룸 필터를 아이오타의 로크스디(ROCKSDB) 스토리지 레이어에 통합하여 비솔리드 트랜잭션 검사 속도를 향상시키고 디스크 I/O를 감소시킴.
• 블록 전파 및 트랜잭션 처리의 실제 시뮬레이션을 수행하여 지연 시간과 대역폭 향상을 측정함.
• 세 블록체인의 공개 노드를 크롤링하여 보안 및 내구성 분석을 위한 ASN 수준의 네트워크 토폴로지 데이터 수집함.
• 실제 이더리움 블록체인 데이터를 사용하여 그래프린의 성능을 평가하고 메시지 처리 시간과 대역폭 절감 효과 측정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이더리움, 나노, 아이오타는 피어 발견, 블록 동기화, 전파, 스토리지 방식을 어떻게 관리하며, 그 기반 프로토콜은 무엇인가요?
• RQ2 그래프린과 IBLT는 이더리움의 게프티 네트워크에서 블록 전파 대역폭과 지연 시간을 얼마나 줄일 수 있나요?
• RQ3 아이오타의 탄글(Tangle)에서 비솔리드 트랜잭션 검사를 위한 디스크 I/O를 줄이는데 있어 쿠쿠우 필터가 블룸 필터를 능가할 수 있나요?
• RQ4 이더리움, 나노, 아이오타의 공개 노드 네트워크는 ASN 수준에서 얼마나 중심화되어 있으며, 네트워크 내구성에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 그래프린을 Geth에 통합함으로써 달성할 수 있는 성능 향상은 무엇이며, 실제 블록체인 데이터에서의 확장성은 어떻게 되나요?

주요 결과

• 시뮬레이션에서 그래프린은 블록 전파 대역폭을 최대 80%까지 감소시켰으며, 메시지 크기와 라운드트립 시간이 크게 줄어들었습니다.
• 실제 이더리움 블록체인 데이터를 사용한 Geth 내 그래프린 구현은 평균 블록 전파 메시지 처리 시간을 40% 감소시켰습니다.
• 시뮬레이션된 트랜잭션 검사에서 쿠쿠우 필터는 블룸 필터를 능가했으며, 상수 시간 삭제 기능을 제공해 아이오타의 비솔리드 트랜잭션 검증에 필요한 디스크 I/O를 감소시켰습니다.
• 아이오타 네트워크는 극도로 중심화되어 있었으며, 상위 3개의 ASN(DigitalOcean, Contabo 포함)이 공개 노드의 50% 이상을 차지해 BGP 하이재킹 위험이 증가했습니다.
• 이더리움의 공개 노드 분포는 나노나 아이오타보다 지리적·ASN 다양성이 높았지만, 특히 상위 5개의 ASN에서 농축되어 있어 여전히 집중화 경향을 보였습니다.
• 그래프린에서 IBLT의 사용은 높은 효율성과 낮은 오버헤드로 세트 재결합을 가능하게 하여 블록 전파 중 중복 메시지 전송을 줄였습니다.