[논문 리뷰] Divide and Scale: Formalization of Distributed Ledger Sharding Protocols.

Georgia Avarikioti, Eleftherios Kokoris-Kogias외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 23.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 42인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 분산 블록체인의 스파이킹을 일관성과 확장성이라는 핵심 성질로 정의함으로써 공식화하며, 각 에포크 동안 상태 업데이트의 간결한 증명을 생성할 경우, 에포크 적응형 대상자에 under $O(n/\log n)$까지 확장 가능한 분산 블록체인을 증명한다. 프로토콜 추상화를 도입하고 주요 스파이킹 프로토콜을 분석하여 보안 및 확장성 보장을 충족하지 못하는 지점을 규명한다.

ABSTRACT

Sharding distributed ledgers is the most promising on-chain solution for scaling blockchain technology. In this work, we define and analyze the properties a sharded distributed ledger should fulfill. More specifically, we show that a sharded blockchain cannot be scalable under a fully adaptive adversary, but it can scale up to $O(n/\log n)$ under an epoch-adaptive adversary. This is possible only if the distributed ledger creates succinct proofs of the valid state updates at the end of each epoch. Our model builds upon and extends the Bitcoin backbone protocol by defining consistency and scalability. Consistency encompasses the need for atomic execution of cross-shard transactions to preserve safety, whereas scalability encapsulates the speedup a sharded system can gain in comparison to a non-sharded system. We introduce a protocol abstraction and highlight the sufficient components for secure and efficient sharding in our model. In order to show the power of our framework, we analyze the most prominent shared blockchains (Elastico, Monoxide, OmniLedger, RapidChain) and pinpoint where they fail to meet the desired properties.

연구 동기 및 목표

• 안전하고 효율적인 운영을 위해 스파이싱된 분산 블록체인이 충족해야 할 핵심 성질인 일관성과 확장성을 정의하고 공식화하기.
• 다양한 공격자 모델 하에서 스파이싱 블록체인의 확장성 한계를 분석하며, 특히 완전 적응형 공격자와 에포크 적응형 공격자 간의 차이를 명확히 하기.
• 안전하고 효율적인 스파이킹을 위한 필수 구성 요소를 규명하며, 특히 각 에포크 종료 시 상태 업데이트의 간결한 증명이 차지하는 역할을 강조하기.
• 제안된 공식 모델에 따라 주요 스파이킹 프로토콜(Elastico, Monoxide, OmniLedger, RapidChain)을 평가하고, 그들의 결함을 특정하기.

제안 방법

• 스파이싱 블록체인의 맥락에서 일관성과 확장성의 공식 정의를 도입함으로써 비트코인 백본 프로토콜을 확장한다.
• 안전하고 효율적인 스파이킹을 위해 필수적인 구성 요소를 분리하는 프로토콜 추상화를 도입하며, 특히 크로스 샤드 거래의 원자성을 강조한다.
• 두 가지 공격자 모델을 정의한다: 완전 적응형(공격자가 임의로 적응 가능)과 에포크 적응형(공격자가 에포크 간 변화에 국한됨).
• 완전 적응형 공격자 하에서는 확장성이 불가능하지만, 에포크 적응형 공격자 하에서는 $O(n/\log n)$까지 확장성이 달성 가능하다는 것을 입증한다.
• 각 에포크 종료 시 유효한 상태 업데이트의 간결한 증명을 사용함으로써 효율적 검증과 확장성을 가능하게 한다.
• 공식 모델을 실제 스파이킹 프로토콜에 적용하여, 일관성 또는 확장성 요구 사항을 충족하지 못하는 지점을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전 적응형 공격자 하에서 스파이싱 블록체인이 확장성을 달성할 수 있는가? 만약 불가능하다면 그 이유는 무엇인가?
• RQ2 에포크 적응형 공격자 하에서 스파이싱 블록체인의 최대 달성 가능한 확장성은 무엇인가?
• RQ3 간결한 상태 업데이트 증명은 스파이싱 블록체인에서 확장성을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 안전하고 효율적인 스파이킹 프로토콜을 위한 필수 및 충분한 구성 요소는 무엇인가?
• RQ5 Elastico, OmniLedger, RapidChain 등의 기존 스파이킹 프로토콜은 제안된 공식 모델 하에서 어떻게 평가되는가?

주요 결과

• 완전 적응형 공격자 하에서는 공격자가 언제든지 크로스 샤드 조율을 방해할 수 있기 때문에 스파이싱 블록체인이 확장성을 달성할 수 없다.
• 에포크 적응형 공격자 하에서는 $O(n/\log n)$까지의 확장성이 달성 가능하며, 여기서 $n$은 노드 수이다.
• 각 에포크 종료 시 유효한 상태 업데이트의 간결한 증명을 생성하는 것은 이러한 확장성 한계에 도달하기 위한 필수 조건이다.
• 공식 모델은 Elastico, Monoxide, OmniLedger, RapidChain와 같은 기존 프로토콜이 정의된 공격자 모델 하에서 일관성 또는 확장성 요구 사항을 충족하지 못한다는 것을 드러낸다.
• 프로토콜 추상화는 크로스 샤드 거래의 원자적 실행이 스파이싱 시스템에서 안전성과 일관성을 유지하는 데 필수적이라는 것을 규명한다.
• 분석 결과, 간결한 증명 또는 적절한 상태 검증 메커니즘이 부재할 경우 보안 및 성능 모두에 취약성이 발생한다는 것이 입증된다.