[논문 리뷰] Implicit Consensus: Blockchain with Unbounded Throughput

Zhijie Ren, Kelong Cong외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 31.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 2인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 합의 모델의 새로운 형태인 암묵적 합의(implicit consensus)를 제안한다. 이는 거래 검증을 전역 합의에서 분리함으로써 무한한 처리량을 달성한다. 모든 노드가 각 거래에 대해 합의할 필요가 없으며, 시스템은 자기 이익과 자발적 샤딩에 의존한다: 노드는 자신의 거래만 검증하고 증거를 다른 이들에게 전파함으로써, 전역 종료 보장을 갖지 않더라도 바이진트라스터 오류 내성(BFT) 수준의 신뢰성을 확보한다.

ABSTRACT

Recently, the blockchain technique was put in the spotlight as it introduced a systematic approach for multiple parties to reach consensus without needing trust. However, the application of this technique in practice is severely restricted due to its limitations in throughput. In this paper, we propose a novel consensus model, namely the implicit consensus, with a distinctive blockchain-based distributed ledger in which each node holds its individual blockchain. In our system, the consensus is not on the transactions, but on a special type of blocks called Check Points that are used to validate individual transactions. Our system exploits the ideas of self-interest and spontaneous sharding and achieves unbounded throughput with the transaction reliability that equivalent to traditional Byzantine fault tolerance schemes.

연구 동기 및 목표

• 기존 블록체인 합의 알고리즘의 확장성 한계를 해결한다. 이는 O(N²) 메시지 복잡도와 처리량 저하 문제를 야기한다.
• 기존 BFT 및 작업 증명 기반 기법의 처리량 한계를 극복하기 위해, 거래에 대한 전역 합의가 아닌 '체크포인트'에 대한 합의 목표를 재정의한다.
• 자기 이익을 활용해 거래 검증과 증거 전파를 이끌어내는 합리적이고 분산된 네트워크에서 무한한 거래 처리량을 가능하게 한다.
• 전역 종료 성질을 완화함에도 불구하고, 전통적인 바이진트라스터 오류 내성(BFT) 기반 시스템과 동일한 수준의 거래 신뢰성을 유지한다.
• 노드가 거래 출처 선택에 따라 자연스럽게 동적이고 최적화된 샤드를 형성하도록 설계함으로써, 중앙집중식 또는 복잡한 샤딩 조율이 필요 없도록 한다.

제안 방법

• 체크포인트(특수 블록)를 도입한다. 이는 거래 유효성과 합의를 증명하는 암호학적 증거로, 개별 거래에 대한 전역 합의를 대체한다.
• 합의를 거래 수준의 합의에서 분리한다: 노드는 모든 거래를 저장하거나 검증할 필요가 없으며, 자신의 거래나 거래 출처와 관련된 것들만 검증하면 된다.
• 자기 이익을 인centive 메커니즘으로 활용한다: 노드는 자신의 거래가 수락되도록 유효한 거래의 증거를 전파하도록 유도된다.
• 모든 노드가 유효한 증거를 보유하고 있으면 독립적으로 검증하고 다른 이들에게 전송할 수 있는 분산형, 검열 불가 검증 체계를 구현한다.
• BFT 기반 합의 알고리즘을 사용해 체크포인트에 대한 합의를 이룬다. 이는 정직한 노드에 대해 정확성과 합의를 보장하며, 선택적 검증을 통해 무한한 처리량을 달성한다.
• 자발적 샤딩을 구현한다: 합리적인 노드는 증거 전송 오버헤드가 가장 적은 거래 출처를 선택함으로써 데이터 전송을 최소화하고, 자연스럽고 최적화된 네트워크 분할을 이끈다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 거래에 대한 전역 합의에 의존하지 않고도 블록체인 시스템이 무한한 처리량을 달성할 수 있는가?
• RQ2 모든 거래에 대해 전역 종료 보장을 하지 않더라도 거래 검증에서 BFT 수준의 신뢰성을 유지할 수 있는가?
• RQ3 자기 이익과 분산형 인cent라이브 메커니즘이 공식적인 합의 메커니즘을 대체해 증거 전파와 검증을 이끌 수 있는가?
• RQ4 합리적이고 인센티브 기반의 블록체인 시스템에서 자발적 샤딩은 어떻게 발생하는가?
• RQ5 바이진트라스터 오류 내성에서 종료 성질을 완화할 경우 처리량, 지연, 신뢰성 간의 상충 관계는 어떻게 되는가?

주요 결과

• 시스템은 처리량이 무한하다. 거래 검증이 전역적으로 필요하지 않으며, 관련 출처의 증거만 전파되고, 노드는 필요한 것만 저장하기 때문이다.
• 거래의 신뢰성은 전통적인 BFT 기반 시스템과 동일하다: 정직한 노드에 대해 정확성과 합의가 유지되며, 유효한 거래는 표준 BFT 시스템과 동일한 수준의 신뢰성을 확보한다.
• 종료 성질을 완화함에도 불구하고 시스템의 무결성은 손상되지 않는다. 악성 노드가 유효한 거래의 증거 전파를 방해할 수 없으며, 자기 이익 유도 메커니즘이 이를 방지하기 때문이다.
• 자발적 샤딩은 자연스럽게 발생한다: 합리적인 노드는 증거 전송 오버헤드가 가장 적은 거래 출처를 선택함으로써 효율적이고 최적화된 네트워크 분할을 이끈다.
• 명성 또는 블랙리스트 메커니즘을 통해 스팸 및 서비스 거부 공격에 저항력이 있으며, 잘못된 거래는 정직한 노드가 출처로 사용하지 않기 때문에 전파되지 않는다.
• 지연 시간은 여전히 체크포인트에 대한 BFT 합의에 의존하지만, 더 스케일러블한 BFT 알고리즘을 사용해 이를 줄일 수 있으며, 향후 성능 향상과의 호환성이 확보된다.