[논문 리뷰] Perigee: Efficient Peer-to-Peer Network Design for Blockchains

Yifan Mao, Soubhik Deb외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 25.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 31인용 수 5

한 줄 요약

Perigee는 분산형이며, 다중 손잡이 슬롯머신(다중 손잡이 밴디트) 기반의 프로토콜로, 블록체인에서 블록 전파 지연을 최소화하기 위해 피어 간 네트워크 토폴로지를 동적으로 최적화한다. 블록 전파 지연 피드백에 기반해 새로운 이웃 탐색과 고성능 이웃 활용 간 균형을 이루며, 동일한 네트워크 조건 하에서도 랜덤 연결 대비 33%의 전파 지연 감소를 달성한다.

ABSTRACT

A key performance metric in blockchains is the latency between when a transaction is broadcast and when it is confirmed (the so-called, confirmation latency). While improvements in consensus techniques can lead to lower confirmation latency, a fundamental lower bound on confirmation latency is the propagation latency of messages through the underlying peer-to-peer (p2p) network (inBitcoin, the propagation latency is several tens of seconds). The de facto p2p protocol used by Bitcoin and other blockchains is based on random connectivity: each node connects to a random subset of nodes. The induced p2p network topology can be highly suboptimal since it neglects geographical distance, differences in bandwidth, hash-power and computational abilities across peers. We present Perigee, a decentralized algorithm that automatically learns an efficient p2p topology tuned to the aforementioned network heterogeneities, purely based on peers' interactions with their neighbors. Motivated by the literature on the multi-armed bandit problem, Perigee optimally balances the tradeoff between retaining connections to known well-connected neighbors, and exploring new connections to previously-unseen neighbors. Experimental evaluations show that Perigee reduces the latency to broadcast by $33\%$. Lastly Perigee is simple, computationally lightweight, adversary-resistant, and compatible with the selfish interests of peers, making it an attractive p2p protocol for blockchains.

연구 동기 및 목표

• 퍼미션리스 블록체인의 핵심적 문제인 높은 블록 전파 지연을 해결하기 위해.
• 지리적 거리, 대역폭, 노드 처리 속도 등의 네트워크 이질성 요소를 고려한 분산형, 적응형 P2P 토폴로지 선택 프로토콜을 설계하기 위해.
• 전체 네트워크 지식이나 중앙 집중식 조율 없이도 피어 연결을 최적화해 확인 지연을 최소화하기 위해.
• 이타적 피어의 인centives와 악성 행동(예: Eclipse 공격)에 저항할 수 있도록 보장하기 위해.

제안 방법

• Perigee는 이웃 선택 문제를 순차적 의사결정 문제로 모델링하기 위해 다중 손잡이 슬롯머신 프레임워크를 사용하며, 각 피어는 관측된 블록 전파 지연에 기반해 최적의 이웃 집합을 학습한다.
• 관측된 지연에 기반해 각 이웃에 대해 점수를 유지하며, 탐색과 이용 간 균형을 이루기 위해 UCB(Upper Confidence Bound) 또는 서브셋 기반 점수 전략을 사용한다.
• 전체 네트워크 상태를 요구하지 않고도 성능 피드백에 기반해 낮은 점수의 이웃을 제거하고 새로운 이웃을 추가함으로써 동적으로 연결을 전환한다.
• 계산적으로 경량이며 기존의 블록체인 P2P 아키텍처와 호환되며, 로컬 상호작용 로그 외에 추가로 필요한 변경 사항 없이도 작동한다.
• 악성 피어에 대한 저항성을 높이기 위해 작은 수의 무작위 이웃을 유지함으로써 전체 네트워크 장악을 방지한다.
• 피어 간 상호작용에 기반해 작동하므로, 채널 변화나 노드 장애 상황에서도 완전히 분산형이며 자가 복구 기능을 갖춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 퍼미션리스 블록체인에서 분산형, 적응형 P2P 토폴로지 선택 프로토콜이 블록 전파 지연을 상당히 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 전체 네트워크 지식 없이도 대역폭, 지연, 처리 능력의 이질성을 고려해 최적의 피어 연결을 학습할 수 있는가?
• RQ3 Perigee가 무작위, 지리적, 또는 Kademlia 기반 토폴로지보다 90-백분위수 블록 전파 지연을 얼마나 효과적으로 줄이는가?
• RQ4 노드 처리 지연, 해시 파워 불균형, 빠른 릴레이 네트워크 등 다양한 조건에서 Perigee의 성능은 어떠한가?
• RQ5 무작위 이웃 유지가 Eclipse 스타일 공격에 대한 내성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 균일한 해시 파워 조건 하에서 실제 네트워크 시뮬레이션에서 Perigee는 랜덤 연결 대비 33%의 블록 전파 지연 감소를 달성한다.
• 서브셋 기반 이웃 점수 전략을 사용하는 Perigee-Subset는 UCB 및 기존 버전보다 뛰어난 성능을 보이며, 90-백분위수 지연을 최소화하는 데 최고의 성능을 기록한다.
• 높은 처리 지연(기본값의 10배) 조건에서는 Perigee의 성능이 저하되어 랜덤 토폴로지 수준에 가까워지며, 이는 네트워크 지름이 주요 요인으로 작용하기 때문이다.
• 빠른 릴레이 네트워크(예: 트리 구조, 저지연 링크)에서는 Perigee가 지연을 크게 줄이며, 고해시 파워 마이닝 풀이 존재하는 네트워크에서도 완전히 연결된 네트워크 수준의 성능에 근접한다.
• 히스토그램 분석 결과, Perigee는 저지연 내국적 링크를 선호하는 경향을 학습하며, 대부분의 간선이 지연 분포의 낮은 모드 근처에 집중되어 있음을 보여주며, 이는 랜덤 또는 기하학적 토폴로지와는 대조된다.
• 무작위 이웃 유지 덕분에 악성 환경에서도 안정성을 유지하며, 공격자가 피어의 이웃 네트워크를 완전히 제어할 수 없도록 하여 Eclipse 공격에 대한 위험을 완화한다.