[논문 리뷰] CDAG: A Serialized blockDAG for Permissioned Blockchain

Himanshu Gupta, D. Janakiram|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 18.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 17인용 수 11

한 줄 요약

CDAG는 허가된 블록체인을 위한 순차적 블록DAG 구조를 제안하며, 트랜잭션을 겹치지 않는 버킷으로 분할하고 분산 시간 장벽을 사용하여 블록 제안을 동기화함으로써 고처리량, 저지연 트랜잭션 처리를 가능하게 한다. 최종성 확보 시간이 2분 이내로 이루어지며, DAG의 확장성과 스마트 계약에 필요한 총순서를 결합한다.

ABSTRACT

Blockchain is maintained as a global log between a network of nodes and uses cryptographic distributed protocols to synchronize the updates. As adopted by Bitcoin and Ethereum these update operations to the ledger are serialized, and executed in batches. To safeguard the system against the generation of conflicting sets of updates and maintain the consistency of the ledger, the frequency of the updates is controlled, which severely affects the performance of the system. This paper presents Converging Directed Acyclic Graph (CDAG), as a substitute for the chain and DAG structures used in other blockchain protocols. CDAG allows multiple parallel updates to the ledger and converges them at the next step providing finality to the blocks. It partitions the updates into non-intersecting buckets of transactions to prevent the generation of conflicting blocks and divide the time into slots to provide enough time for them to propagate in the network. Multiple simultaneous updates improve the throughput of CDAG, and the converging step helps to finalize them faster, even in the presence of conflicts. Moreover, CDAG provides a total order among the blocks of the ledger to support smart contracts, unlike some of the other blockDAG protocols. We evaluate the performance of CDAG on Google Cloud Platform using Google Kubernetes Engine, simulating a real-time network. Experimental results show that CDAG achieves a throughput of more than 2000 transactions per second and confirms them well in under 2 minutes. Also, the protocol scales well in comparison to other permissioned protocols, and the capacity of the network only limits the performance.

연구 동기 및 목표

• 기존의 블록체인 및 블록DAG 프로토콜이 허가된 환경에서 겪는 확장성과 최종성 한계를 해결하기 위해.
• 다중 상충되지 않는 블록을 동시에 제안할 수 있도록 해, 높은 트랜잭션 처리량을 달성하기 위해.
• 스마트 계약 호환성을 위해 블록의 총순서를 보장하면서도, 고갈 비율을 낮게 유지하기 위해.
• 수렴 블록 메커니즘을 통해 확정 지연 시간을 줄여 신속한 최종성을 확보하기 위해.
• 실시간 배포 환경에서 네트워크 혼잡 상황에서도 효율적으로 확장되며 악성 노드를 견딜 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 충돌을 방지하기 위해 트랜잭션을 상호 겹치지 않는 버킷으로 분할한다.
• 블록 전파에 충분한 시간을 확보하기 위해 분산 시간 장벽을 사용해 시간을 슬롯으로 나눈다.
• 각 슬롯 동안 다수의 상충되지 않는 블록이 제안되며, 각 단계의 끝에서 하나의 수렴 블록(C-블록)으로 수렴된다.
• C-블록은 레지스트리 전반에 걸쳐 총순서를 설정하여 스마트 계약의 결정론적 실행을 가능하게 한다.
• 일부 일시적인 분기 문제를 해결하기 위해 무거운 체인 프로토콜의 변종을 사용해 트랜잭션을 영구적으로 확인한다.
• 프로토콜은 Google 클라우드 플랫폼에서 컨테이너 오케스트레이션 도구인 쿠버네티스를 활용한 실시간 네트워크 시뮬레이션을 통해 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 블록DAG 아키텍처는 스마트 계약을 위한 총순서를 유지하면서도 고처리량을 달성할 수 있는가?
• RQ2 트랜잭션 버킷화와 시간 장벽의 사용이 블록 전파 및 고갈 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 네트워크 부하 조건에서 프로토콜의 처리량과 확정 지연 시간의 성능 한계는 무엇인가?
• RQ4 검증자와 케어터의 악성 행동에 대해 프로토콜의 내성은 얼마나 강건한가?
• RQ5 노드 수가 증가함에 따라 프로토콜은 효율적으로 확장되며 낮은 지연 시간을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• CDAG는 실험 평가에서 2,000건 이상의 트랜잭션을 초당 처리하는 데 성공했다.
• 실시간 네트워크 조건 하에서 트랜잭션 최종성은 2분 미만으로 확보되었다.
• 더 긴 시간 슬롯은 블록 전파와 네트워크 안정성 향상으로 인해 고갈 비율을 크게 감소시켰다.
• 최대 20퍼센트의 검증자와 케어터가 악성일 경우에도 프로토콜은 120초 이내로 트랜잭션을 확인하며 내성성을 유지했다.
• 네트워크 크기에 따라 성능이 잘 확장되었으며, 기본 네트워크 인프라의 용량에 의해 제한될 뿐이었다.
• 효율적인 트랜잭션 버킷화와 시간 장벽 동기화 덕분에 프로토콜은 낮은 지연 시간과 높은 처리량을 유지했다.