[논문 리뷰] Distributed Nonblocking Commit Protocols for Many-Party Cross-Blockchain Transactions

Xinying Wang, Olamide Timothy Tawose외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 05.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 8인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 중앙집중화된 조율 없이도 임의의 수의 블록체인 간에 분산형, 비차단(commit) 프로토콜인 CBT를 제안한다. 두 단계 커밋(2PC)을 심장박동 메커니즘으로 확장함으로써 CBT는 생존성(liveness)을 보장하고, 두 블록체인 간에는 3.6%의 오버헤드로 선형 확장성(스케일링)을 달성하며, 32개 이상의 블록체인에서는 1% 미만의 오버헤드를 기록한다.

ABSTRACT

The interoperability across multiple blockchains would play a critical role in future blockchain-based data management paradigm. Existing techniques either work only for two blockchains or requires a centralized component to govern the cross-blockchain transaction execution, neither of which would meet the scalability requirement. This paper proposes a new distributed commit protocol, namely extit{cross-blockchain transaction} (CBT), for conducting transactions across an arbitrary number of blockchains without any centralized component. The key idea of CBT is to extend the two-phase commit protocol with a heartbeat mechanism to ensure the liveness of CBT without introducing additional nodes or blockchains. We have implemented CBT and compared it to the state-of-the-art protocols, demonstrating CBT's low overhead (3.6\% between two blockchains, less than $1\%$ among 32 or more blockchains) and high scalability (linear scalability on up to 64-blockchain transactions). In addition, we developed a graphic user interface for users to virtually monitor the status of the cross-blockchain transactions.

연구 동기 및 목표

• 다자간 블록체인 간 거래를 위한 확장성 있고, 분산형이며, 비차단 프로토콜의 부족을 해결하기 위해.
• 성능 저하와 단일 장애 지점(SPOF)을 유발하는 중앙집중형 브로커나 허브에 의존하지 않도록 하기 위해.
• 이질적인 블록체인의 임의의 수에 걸쳐 원자적이고 일관된 거래를 지원하기 위해.
• 관계형 데이터베이스의 SQL과 유사한 표준화되고 이식 가능한 인터페이스를 제공하여 블록체인 간 거래 실행을 가능하게 하기 위해.
• 구현과 사용자 우아한 그래픽 인터페이스를 통해 실용적 타당성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 중앙집중형 조율자가 없는 상태에서 장애 발생 시도를 탐지하고 복구할 수 있도록 고전적 두 단계 커밋(2PC) 프로토콜에 심장박동 메커니즘을 추가하여 비차단성을 확보한다.
• 실패 시 동일한 블록체인에서 새로운 조율자를 선출하는 동적 조율자 재선출 프로세스를 적용하여 생존성을 보장한다.
• 블록체인 참가자 간 메시지 전달을 통해 분산 방식으로 거래 준비 및 커밋 결정을 조율한다.
• 중앙 권한을 회피하면서도 원자성과 일관성을 유지하는 분산 합의 메커니즘을 구현한다.
• 블록체인 간 거래 상태와 메시지 흐름을 모니터링하기 위한 경량 모니터링 레이어를 도입한다.
• 사용자 친화적인 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 개발하여 거래 상태를 시각화하고 비전문가 사용자가 블록체인 간 거래를 모니터링하고 상호작용할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임의의 수의 블록체인을 포함하는 블록체인 간 거래를 위한 분산형, 비차단 커밋 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 특히 조율자 장애 발생 시 중앙집중형 조율자가 없는 환경에서 생존성이 어떻게 보장될 수 있는가?
• RQ3 실패 없는 환경에서 이상적인 두 단계 커밋(2PC)에 비해 이러한 프로토콜의 성능 오버헤드는 얼마나 되는가?
• RQ4 블록체인과 거래 수가 증가함에 따라 프로토콜의 확장성은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 실용적 배포와 블록체인 간 거래 모니터링을 지원하기 위해 표준화되고 사용자 우아한 인터페이스를 구축할 수 있는가?

주요 결과

• CBT는 최대 64개의 블록체인에서 선형 확장성을 달성하며, 모든 테스트 워크로드에서 이상 성능에 비해 3% 이내의 스케일링 요인을 기록한다.
• 두 블록체인 간 거래 실행 시 이상적인 2PC 프로토콜 대비 오직 3.6%의 오버헤드만 발생시킨다.
• 32개 이상의 블록체인에서는 오버헤드가 1% 미만으로 감소하여 대규모 환경에서 뛰어난 성능 효율성을 입증한다.
• AC3와 같은 중앙집중형 허브 기반 프로토콜과 비교해 8개 블록체인 이상부터 성능에서 CBT가 뛰어나며, AC3는 허브의 성능 저하로 인해 성능이 떨어진다.
• 조율자 장애 발생 시에도 동일한 블록체인에서 새로운 조율자를 동적으로 재선출함으로써 블록이 발생하지 않도록 성공적으로 방지한다.
• 개발된 GUI는 거래 상태와 메시지 흐름을 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하여 비전문가 사용자에게 사용성 향상을 제공한다.