[논문 리뷰] Atomic Appends: Selling Cars and Coordinating Armies with Multiple Distributed Ledgers

Antonio Fernández Anta, Chryssis Georgiou외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 20.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다중 블록체인 시스템에서 클라이언트가 여러 분산 블록체인(DLO)에 기록을 동시에 모두 또는 전혀 추가해야 하는 AtomicAppends 문제를 제안한다. 이를 위해 충돌 장애 및 비동기 환경에서도 일관성을 유지할 수 있도록 원자 방송을 사용하는 신뢰할 수 있는 중개자인 스마트 DLO(SDLO)를 제안한다. 이는 자동차 판매나 조율된 군사 작전과 같은 안전한 블록체인 간 자산 교환을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The various applications using Distributed Ledger Technologies (DLT) or blockchains, have led to the introduction of a new `marketplace' where multiple types of digital assets may be exchanged. As each blockchain is designed to support specific types of assets and transactions, and no blockchain will prevail, the need to perform interblockchain transactions is already pressing. In this work we examine the fundamental problem of interoperable and interconnected blockchains. In particular, we begin by introducing the Multi-Distributed Ledger Objects (MDLO), which is the result of aggregating multiple Distributed Ledger Objects -- DLO (a DLO is a formalization of the blockchain) and that supports append and get operations of records (e.g., transactions) in them from multiple clients concurrently. Next, we define the AtomicAppends problem, which emerges when the exchange of digital assets between multiple clients may involve appending records in more than one DLO. Specifically, AtomicAppend requires that either all records will be appended on the involved DLOs or none. We examine the solvability of this problem assuming rational and risk-averse clients that may fail by crashing, and under different client utility and append models, timing models, and client failure scenarios. We show that for some cases the existence of an intermediary is necessary for the problem solution. We propose the implementation of such intermediary over a specialized blockchain, we term Smart DLO (SDLO), and we show how this can be used to solve the AtomicAppends problem even in an asynchronous, client competitive environment, where all the clients may crash.

연구 동기 및 목표

• 클라이언트가 디지털 자산을 교환할 때 다수의 분산 블록체인(DLO) 간 원자적 조율 문제를 정식화한다.
• 충돌 장애가 발생할 수 있는 상황에서 협력적 및 경쟁적 클라이언트 유틸리티 모델을 고려하여 AtomicAppends의 해법 가능성을 분석한다.
• 비동기 환경과 클라이언트 장애 상황에서 중개자의 역할을 조사한다.
• 암호화 기법이나 스마트 컨트랙트에 의존하지 않고도 원자성을 보장하기 위해 전용 블록체인인 스마트 DLO(SDLO)를 설계하고 검증한다.
• 모든 클라이언트가 충돌할 수 있는 비동기 조건에서도 SDLO가 종료성과 일관성을 보장함을 입증한다.

제안 방법

• 다중 DLO를 결합하여 동시 append 및 get 연산을 지원하는 다중 분산 블록체인 객체(MDLO)를 공식 추상화로 도입한다.
• 다양한 DLO에 기록을 모두 또는 전혀 추가해야 하는 조건을 요구하는 AtomicAppends 문제를 정의하여 블록체인 간 거래의 원자성을 보장한다.
• 원자 방송을 사용하여 기록 전파를 일관되게 제어하는 중개자 역할을 하는 전용 블록체인인 스마트 DLO(SDLO)를 제안한다.
• 클라이언트가 SDLO에 원자적 추가 요청을 제출하고, SDLO가 이를 바탕으로 대상 DLO에 해당 추가 작업을 트리거하는 알고리즘 $\mathcal{A}_{SDLO}$ 를 설계한다.
• 최대 $f$개의 서버 장애가 발생할 수 있는 상황에서, 기록을 SDLO에 성공적으로 추가하기 위해 $f+1$개의 서버가 필요하다는 조건으로 장애 내성 보장을 확보한다.
• 중복 항목을 방지하기 위해 재진행 불가능한 추가 연산을 사용하고, SDLO가 두 요청 모두를 기록한 경우에만 두 기록이 모두 추가되도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자적 추가 문제는 어떤 시스템 모델(synchronous/asynchronous)과 클라이언트 장애 가정 하에서 해결 가능할 수 있는가?
• RQ2 충돌 가능하고 이성적이며 위험 회피 성향을 가진 클라이언트가 있는 비동기 환경에서 AtomicAppends 문제를 해결하기 위해 중개자가 반드시 필요할까?
• RQ3 암호화나 스마트 컨트랙트에 의존하지 않고도, 단지 기본 DLO 연산(append 및 get)만을 사용하여 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ4 협력적 모델과 경쟁적 모델 간의 유틸리티 모델이 문제의 해법 가능성과 솔루션 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 클라이언트 충돌과 네트워크 비동기성 존재 상황에서 종료성과 일관성을 보장하는 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 비동기 시스템에서 충돌 가능하고 경쟁적인 클라이언트가 있는 상황에서, 단지 직접적인 DLO 연산만을 사용하면 AtomicAppends 문제를 해결할 수 없다. 심지어 하나의 충돌 장애가 발생하더라도 마찬가지다.
• 협력적 모델에서는 동기 및 비동기 환경 모두에서 직접 append를 사용하여 AtomicAppends 문제를 해결할 수 있지만, 경쟁적 모델에서는 위임 없이 해결할 수 없다.
• SDLO 기반 솔루션 $\mathcal{A}_{SDLO}$ 는 비동기 조건과 완전한 클라이언트 충돌 장애 상황에서도 협력적 및 경쟁적 모델 모두에서 AtomicAppends 문제를 성공적으로 해결한다.
• SDLO는 원자 방송을 사용하여 DLO 간 추가 작업을 조율함으로써 원자성을 보장하며, 최대 $f$개의 서버 장애가 발생하더라도 $f+1$개의 서버만으로도 작업을 완료할 수 있다.
• 클라이언트의 종료성은 보장된다: 클라이언트는 무한정 기다리지 않으며, 기반 DLO의 추가 작업이 종료된다면 SDLO는 최종적으로 모든 작업을 처리한다.
• 기록 검증이 검증된 DLO(VDLO)를 통해 구현된 경우, 클라이언트가 처리 중에 DLO에 직접 기록을 추가하더라도 솔루션은 여전히 강건하다. 다만 이는 향후 연구 과제로 남겨진다.