[논문 리뷰] Directed Acyclic Graph Based Blockchain Systems

Anand Devarajan, Erkan Karabulut|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 방향성 없는 사이클 그래프(DAG) 기반 블록체인 시스템의 비교 분석을 제시하며, 전통적인 블록체인과의 성능, 확장성, 보안성을 평가한다. IOTA, Nano, DAGCoin과 같은 DAG 기반 시스템이 거의 0에 가까운 수수료, 1분 이내의 거래 시간, 높은 처리량(예: 10,000+ TPS)을 달성하여 IoT 및 마이크로트랜잭션에 이상적인데 반해, 저트래픽 공격에 취약하고 일반화된 스마트 컨트랙트 지원이 부족한 등의 주요 한계를 밝혀낸다.

ABSTRACT

Blockchain technology has been revolutionizing many fields since last decade. Its true potential is not practically utilized yet. In a very short period of time, it has evolved twice - Smart contracts and Directed Acyclic Graph (DAG). DAG based blockchains currently referred to as Blockchain 3.0 solves many issues in the current conventional blockchain technologies including transaction fees, transaction approval times and scalability. In this paper, we present a comparative analysis of blockchain implementations based on DAG including IOTA, NxT, Byteball, Nano, DAGCoin, Fantom, XDAG and Caixapay. We discuss limitations of both conventional and DAG based blockchains and suggest when to prefer DAG based blockchains.

연구 동기 및 목표

• DAG 기반 블록체인 시스템의 성능 및 확장성은 기존 블록체인과 비교하여 평가하기.
• 기존 및 DAG 기반 블록체인의 한계를 보안, 탈중앙화, 스마트 컨트랙트 지원 측면에서 특정적으로 규명하기.
• 사용 사례 요구사항에 기반해 기존 블록체인 대비 DAG 기반 블록체인을 선택하기 위한 决定 프레임워크 제공하기.
• 신규로 등장하는 DAG 기반 시스템의 성숙도와 보안 위험 평가하기. 이는 합의 기반 메커니즘 및 암호 기반 원리의 취약성 포함.

제안 방법

• IOTA, NxT, Byteball, Nano, DAGCoin, Fantom, CaixaPay 등 주요 7개의 DAG 기반 블록체인 시스템 간 비교 분석 수행.
• 거래 처리량(TPS), 거래 수수료, 확인 시간, 합의 기반 메커니즘, 탈중앙화 수준 기반으로 시스템 평가.
• 거래가 블록 없이도 이전 거래를 직접 참조하고 승인하는 기본적인 DAG 아키텍처 분석.
• CaixaPay 및 DAGCoin의 '워치맨' 선택 방식과 IOTA의 코ordinating 역할을 포함한 합의 기반 메커니즘 분석.
• 저트래픽 공격에 취약하고, Curl-P-27과 같은 고유 암호 함수의 취약성 등 보안 위험 평가.
• 확장성 및 거래량 요구사항에 기반한 DAG 기반 시스템 선택을 위한 决定 프레임워크(부록 A) 제공.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DAG 기반 블록체인은 기존 블록체인 대비 거래 처리량, 수수료, 확인 시간 측면에서 어떻게 우월한가?
• RQ2 특히 저트래픽 환경에서 DAG 기반 블록체인 설계의 보안 및 탈중앙화 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 어떤 조건에서 기존 허가 없는 블록체인 대비 DAG 기반 블록체인을 선호해야 하는가?
• RQ4 현재의 DAG 기반 시스템은 스마트 컨트랙트를 어느 정도 지원하며, 그로 인한 성능 오버헤드는 무엇인가?
• RQ5 기존 DAG 기반 블록체인 구현에서 잠재적인 심각한 취약점과 확장성 리스크는 무엇인가?

주요 결과

• DAG 기반 블록체인은 기존 블록체인보다 훨씬 높은 거래 처리량을 달성한다. DAGCoin은 비트코인의 7 TPS 대비 10,000+ TPS를 지원한다.
• DAG 기반 시스템의 거래 수수료는 거의 0에 가깝다. $10,000 송금에 대해 DAGCoin은 약 $0.0005, 비트코인은 $3.35 수수료를 부과한다.
• DAG 시스템의 거래 확인 시간은 일반적으로 30초 이내이며, PoW 기반 블록체인은 수분에서 수시간이 소요된다.
• IOTA 및 기타 DAG 시스템은 거래량이 낮을 경우 대량 웨이트 공격에 취약하여 확장성과 보안 간의 트레이드오프를 드러낸다.
• 많은 DAG 기반 시스템은 여전히 중심화된 구성요소(예: IOTA의 코ordinating)에 의존하여 완전한 탈중앙화를 해치고 있다.
• 대부분의 DAG 시스템은 일반화된 스마트 컨트랙트를 지원하지 않으며, 일부는 EVM 유사 실행으로 인해 성능 오버헤드를 유발한다(예: Fantom).