[논문 리뷰] Efficient Cross-Shard Transaction Execution in Sharded Blockchains

Sourav Das, Vinith Krishnan외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 28.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 31인용 수 9

한 줄 요약

Rivet는 블록 확인 및 유효성 증명을 통해 크로스셰어 트랜잭션을 조율하는 단일 레퍼런스 셰어를 사용하여 워커 셰어에서 합의를 제거하는 새로운 샤딩 아키텍처를 제안한다. 이 설계는 두 단계 잠금(2PC) 프로토콜에 내재된 장기 잠금을 피함으로써 크로스셰어 트랜잭션 지연을 감소시키고 처리량을 증가시켜, 최소한의 오버헤드로 더 빠른 최종성과 높은 동시성을 달성한다.

ABSTRACT

Sharding is a promising blockchain scaling solution. But it currently suffers from high latency and low throughput when it comes to cross-shard transactions, i.e., transactions that require coordination from multiple shards. The root cause of these limitations arise from the use of the classic two-phase commit protocol, which involves locking assets for extended periods of time. This paper presents Rivet, a new paradigm for blockchain sharding that achieves lower latency and higher throughput for cross-shard transactions. Rivet has a single reference shard running consensus, and multiple worker shards maintaining disjoint states and processing a subset of transactions in the system. Rivet obviates the need for consensus within each worker shard, and as a result, tolerates more failures within a shard and lowers communication overhead. We prove the correctness and security of Rivet. We also propose a more realistic framework for evaluating sharded blockchains by creating a benchmark based on real Ethereum transactions. An evaluation of our prototype implementation of Rivet and the baseline two-phase commit, atop 50+ AWS EC2 instances, using our evaluation framework demonstrates the latency and throughput improvements for cross-shard transactions.

연구 동기 및 목표

• 기존의 두 단계 잠금(2PC) 프로토콜에서 기인하는 장기 잠금으로 인해 발생하는 샤딩 블록체인에서의 크로스셰어 트랜잭션 고지연 및 저처리량 문제를 해결하기 위함.
• 워커 셰어에서의 합의 오버헤드를 최소화하면서도 보안성과 일관성을 유지하는 확장 가능한 블록체인 샤딩 모델을 설계하기 위함.
• 크로스셰어 작업에 대한 트랜잭션 확인 속도와 시스템 처리량을 향상시키되, 정확성 또는 장애 내성에 영향을 주지 않기 위함.
• 실제 이더리움 트랜잭션 패턴을 기반으로 한 실세계 벤치마크를 사용하여 제안된 모델의 타당성과 성능을 평가하기 위함.

제안 방법

• Rivet는 단일 레퍼런스 셰어가 합의를 수행하고 글로벌 블록체인을 유지하며, 여러 워커 셰어는 서로 겹치지 않는 상태를 유지하고 독립적으로 내부 셰어 트랜잭션을 처리한다.
• 워커 셰어는 합의를 수행하지 않으며, 대신 각각의 확정된 블록 해시를 주기적으로 레퍼런스 셰어에 제출하여 글로벌 체인에 포함되도록 한다.
• 크로스셰어 트랜잭션은 레퍼런스 셰어에 제출되며, 이는 순서를 정리하고 최종화한다. 이를 통해 관련된 모든 셰어가 관련 트랜잭션만 로컬로 실행할 수 있다.
• 각 워커 셰어는 다른 셰어로부터 데이터와 유효성 증명을 다운로드하여 크로스셰어 트랜잭션을 실행하며, 이 과정에서 서로 간의 합의가 필요로 하지 않는다.
• 암호학적 커밋과 유효성 증명을 사용하여 자산을 장기간 잠금하지 않고도 신속하고 안전하며 효율적인 크로스셰어 실행을 가능하게 한다.
• 프로토타입은 쿠오럼 기반으로 구현되었으며, 실제 이더리움 트랜잭션 데이터에서 유도된 현실적인 벤치마크를 사용해 성능을 평가했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 워커 셰어에서 합의를 제거함으로써 샤딩 블록체인 아키텍처가 크로스셰어 트랜잭션 지연을 줄일 수 있는가?
• RQ2 제안된 레퍼런스 셰어 조율 모델은 전통적인 두 단계 잠금(2PC) 프로토콜에 비해 처리량과 최종성 시간 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 워커 셰어에서 합의를 제거함으로써 장애 내성은 어느 정도 향상되고 통신 오버헤드는 얼마나 감소하는가?
• RQ4 실제 이더리움 트랜잭션을 기반으로 한 현실적인 벤치마크가 샤딩 블록체인 시스템의 성능 평가에 효과적으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• Rivet는 2PC 베이스라인 대비 크로스셰어 트랜잭션의 확인 지연을 크게 줄였으며, 트랜잭션이 한 워커 셰어에서 로컬로 실행되는 순간 최종화되기 때문이다.
• Rivet에서는 자원이 더 짧은 기간 동안 잠금되기 때문에 데이터 항목의 잠금 기간이 짧아져 크로스셰어 트랜잭션의 처리량이 높아진다. 이는 경쟁을 줄이고 더 빠른 재사용을 가능하게 한다.
• Rivet의 워커 셰어는 합의를 수행하지 않기 때문에 복제본 수와 통신량이 줄어들어 운영 오버헤드가 감소한다.
• 50개 이상의 AWS EC2 인스턴스에 구현된 프로토타입은 성능 향상 효과를 확인하였으며, 이는 제안된 접근 방식의 타당성과 확장 가능성을 입증한다.
• 실제 이더리움 트랜잭션을 기반으로 한 벤치마크는 합성 워크로드보다 더 정확하고 현실적인 평가 프레임워크를 제공한다.