[논문 리뷰] Distributed Cross-Blockchain Transactions

Dongfang Zhao, Tonglin Li|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 26.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 9인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 중앙 집중식 허브 없이도 임의의 블록체인 간 원자성 암시를 가능하게 하는 비차단적이고 완전히 분산된 커밋 프로토콜인 RBP를 제안한다. 이는 확장 가능한 다자간 블록체인 간 거래를 위해 near-ideal 성능(2PC 대비 3.6–4% 오버헤드)을 달성하며, 최종 일관성 의미 체계로 인한 지연 증가가 극히 미미하여 표준화되고 탈중앙화된 블록체인 상호운용성의 기초 단계를 마련한다.

ABSTRACT

The interoperability across multiple or many blockchains would play a critical role in the forthcoming blockchain-based data management paradigm. In particular, how to ensure the ACID properties of those transactions across an arbitrary number of blockchains remains an open problem in both academic and industry: Existing solutions either work for only two blockchains or requires a centralized component, neither of which would meet the scalability requirement in practice. This short paper shares our vision and some early results toward scalable cross-blockchain transactions. Specifically, we design two distributed commit protocols and, both analytically and experimentally, demonstrate their effectiveness.

연구 동기 및 목표

• 블록체인 기반 데이터 관리 시스템에서 확장 가능하고 탈중앙화되며 원자적인 블록체인 간 거래 프로토콜의 부족을 해결하기 위해.
• 기존 솔루션의 한계인 중앙 집중식 허브, 이원적 초점, 열악한 성능, 블록체인의 동적 분기 행동과의 호환성 부족을 극복하기 위해.
• 원자성과 내구성을 유지하면서도 임의의 블록체인 간 다자간 거래를 지원하는 비차단적이고 분산된 커밋 프로토콜(RBP)을 설계하고 평가하기 위해.
• BlockLite 플랫폼에서의 구현과 평가를 통해 프로토콜의 확장성과 성능을 입증하기 위해.
• 이질적인 블록체인 생태계에서의 블록체인 간 거래 프로토콜 표준화를 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 중앙 집중식 조정자나 허브 없이 작동하는 비차단적이고 분산된 커밋 프로토콜인 RBP(복구 기반 프로토콜)를 설계한다.
• 슬라이딩 윈도우 메커니즘을 사용하여 거래를 관리하고, 분기로 인한 잠재적 롤백을 탐지함으로써 최종 일관성을 보장한다.
• 준비, 사전 커밋, 커밋, 확인의 4단계 통신 모델을 사용하며, 더 긴 체인에 의해 무효화될 수 있는 짧은 브랜치에서의 거래를 처리하기 위한 복구 메커니즘을 통합한다.
• 장애 발생 모델에 기반하며, 최종 복구를 가정하며, 노드가 교체 가능하고 거래 중 장애가 영구적으로 지속되지 않는다고 가정한다.
• 자바를 사용하여 블록체인 로직, 네트워크 통신, 자바 스윙 기반 GUI를 포함하는 BlockLite 시스템에 프로토콜을 구현한다.
• ETC20 및 TPC-H 워크로드를 사용한 64개의 블록체인 환경에서 RBP를 2PC(이상적 케이스) 및 AC3(허브 기반)와 비교하여 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임의의 수의 이질적인 블록체인 간 원자성 블록체인 간 거래를 위한 완전히 분산되고 비차단적인 커밋 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 대규모 블록체인 환경에서 RBP와 같은 탈중앙화 프로토콜의 성능은 중앙 집중식 또는 이상적인 2PC 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 RBP의 최종 일관성 모델은 엄격한 일관성 모델 대비 일관성과의 타협을 통해 지연 감소와 확장성 향상을 얼마나 달성하는가?
• RQ4 블록체인 수가 증가함에 따라 RBP의 오버헤드는 이론적 상한선(2PC)에 비해 얼마나 되는가?
• RQ5 RBP는 중앙 집중적 구성 요소 없이 효과적으로 확장될 수 있으며, ETC20 및 TPC-H와 같은 실제 워크로드에서 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• RBP는 2~32개의 블록체인에서 이상적인 2PC 프로토콜 대비 오직 3.6%에서 4%의 오버헤드만을 유발하여 성능 저하가 극히 미미하다.
• 64개의 블록체인에서 RBP의 오버헤드는 거의 없어지며, 중앙 집중적 버블이 없는 강력한 선형 확장성을 보여준다.
• 중앙 집중식 허브에 의존하는 AC3는 8개의 블록체인부터 RBP 및 2PC보다 성능이 열 劣하기 시작하여 허브 기반 설계의 확장성 한계를 확인한다.
• 분기로 인한 장기 대기 시간을 피하기 때문에 RBP의 지연은 기준선인 SBP보다 현저히 낮으며, 분기 발생 시 최소 4τ + λf까지 저하될 수 있다.
• 블록체인 재조직으로 인해 짧은 브랜치에서의 거래가 최종적으로 롤백되더라도 RBP는 원자성, 내구성, 격리성을 유지한다.
• RBP의 최종 일관성 모델은 높은 처리량과 낮은 지연을 가능하게 하며, 거래 처리량은 블록체인 C_i의 시간 윈도우 δ_i에 대해 |T_i| / δ_i로 계산된다.