[논문 리뷰] Don't Mine, Wait in Line: Fair and Efficient Blockchain Consensus with Robust Round Robin

Mansoor Ahmed-Rengers, Kari Kostiainen|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 19.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 26인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 Proof-of-Stake 시스템에서 무작위 리더 선정을 대체하기 위해 신뢰할 수 있는 신원 기반 리더의 결정론적 윤활선형 선택 방식을 도입한 공정하고 효율적인 블록체인 합의 프로토콜인 Robust Round Robin을 제안한다. 신뢰할 수 있는 실행 환경(예: Intel SGX) 또는 초기 공정 분포 기반의 마이닝을 통해 장기적인 신원을 활용하고, 경량의 승인 프로토콜과 결합함으로써, 분산된 무작위성 생성의 편향과 비효율성 문제를 피하면서도 공정성과 낮은 통신 오버헤드를 보장한다.

ABSTRACT

Proof-of-Stake systems randomly choose, on each round, one of the participants as a consensus leader that extends the chain with the next block such that the selection probability is proportional to the owned stake. However, distributed random number generation is notoriously difficult. Systems that derive randomness from the previous blocks are completely insecure; solutions that provide secure random selection are inefficient due to their high communication complexity; and approaches that balance security and performance exhibit selection bias. When block creation is rewarded with new stake, even a minor bias can have a severe cumulative effect. In this paper, we propose Robust Round Robin, a new consensus scheme that addresses this selection problem. We create reliable long-term identities by bootstrapping from an existing infrastructure, such as Intel's SGX processors, or by mining them starting from an initial fair distribution. For leader selection we use a deterministic approach. On each round, we select a set of the previously created identities as consensus leader candidates in round robin manner. Because simple round-robin alone is vulnerable to attacks and offers poor liveness, we complement such deterministic selection policy with a lightweight endorsement mechanism that is an interactive protocol between the leader candidates and a small subset of other system participants. Our solution has low good efficiency as it requires no expensive distributed randomness generation and it provides block creation fairness which is crucial in deployments that reward it with new stake.

연구 동기 및 목표

• 분산된 무작위성 생성에 의존하는 기존 Proof-of-Stake 합의 메커니즘의 공정성 및 효율성 한계를 해결한다.
• 스테이크 기반 리더 선정에서의 선택 편향을 완화하여 장기적으로 비례하지 않은 보상 축적을 방지한다.
• 높은 통신 복잡성과 기존 랜덤성 프로토콜의 보안 취약점을 피하는 무작위 리더 선정의 실용적 대안을 제공한다.
• 신원 기반 리더의 결정론적 윤활선형 선택을 통해 블록 생성 보상의 공정성을 확보한다.
• 경량 승인 메커니즘과 신원 책임을 통해 DoS 공격 및 오작동에 대한 저항성을 확보한다.

제안 방법

• 신뢰할 수 있는 실행 환경(예: Intel SGX) 또는 초기 공정 분포에서의 마이닝을 통해 신뢰할 수 있고 장기적인 신원을 확립한다.
• 각 신원의 연령을 등록 이후 또는 마지막으로 성공적인 블록 생성 이후 경과한 라운드 수에 따라 정의한다.
• 신원을 연령이 높은 순서로 정렬한 큐에 따라 윤활선형 스케줄링 방식으로 다음 리더 후보를 선정한다.
• 성공적인 블록 생성 후 선택된 리더의 연령을 0으로 재설정하고 큐의 끝으로 이동시킨다.
• 결정론적 선정을 보완하기 위해 소수의 참가자로 구성된 경량 상호작용 승인 프로토콜을 도입하여 생존성 확보 및 오작동 탐지 기능을 제공한다.
• 각 참가자의 스테이크를 그가 제어하는 신원 수에 한정함으로써 Sybil 공격를 방지하고 영향력의 비례성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Proof-of-Stake 블록체인에서 결정론적 리더 선정이 복잡한 분산된 무작위성 생성에 의존하지 않고도 공정성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 스테이크 비례로 보상이 배분될 때 결정론적 선정 방식이 랜덤 선정 방식에 비해 편향 누적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 결정론적 선정 방식이 시스템의 생존성과 서비스 거부(DoS) 공격에 대한 저항성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 경량 승인 프로토콜이 결정론적 합의 모델에서 생존성 확보 및 오작동 탐지에 효과적으로 기여할 수 있는가?
• RQ5 다양한 신원 구축 메커니즘(예: SGX 기반 vs. 마이닝 기반)이 장기적으로 탈중앙화성과 공정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Robust Round Robin는 리더 선정의 편향을 완전히 제거하여, 조그만 스테이크를 가진 악성 사용자라도 비례하지 않은 보상 축적을 방지한다. 이는 Algorand와 같이 33%의 스테이크가 36%의 보상 비율을 차지하고 스케일이 증가하면 70% 이상을 차지하는 것과는 대조적이다.
• 비용이 많이 드는 분산된 무작위성 생성을 피함으로써 높은 효율성을 달성하여, VRF 또는 DKG 기반 시스템에 비해 낮은 통신 및 계산 오버헤드를 기록한다.
• 결정론적 윤활선형 리더 선정 방식을 통해 각 신원이 블록 생성 기회를 예측 가능하고 공정하게 확보함으로써 스테이크 분포의 장기적 공정성을 향상시킨다.
• 경량 승인 메커니즘이 생존성 실패를 효과적으로 방지하고 오작동을 탐지하여, 결정론적 선정 모델임에도 불구하고 시스템의 가용성과 보안성을 유지한다.
• 신원이 초기 공정 분포에서 마이닝을 통해 생성되더라도 시스템은 여전히 보안적이고 공정하며, 신뢰할 수 있는 하드웨어에 의존하지 않는 완전한 탈중앙화 배포를 가능하게 한다.
• SGX 기반 배포에서는 저비용 또는 중고 프로세서의 오용을 방지하기 위해 등록을 새롭거나 등록되지 않은 하드웨어로 제한함으로써 불공정한 이득 위험을 감소시킨다.