[논문 리뷰] Scaling Nakamoto Consensus to Thousands of Transactions per Second

Chenxing Li, Peilun Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 10.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 12인용 수 140

한 줄 요약

Conflux는 동시 블록을 처리하기 위해 DAG 기반의 나카모토 합의를 도입하여 전체 블록 순서와 거래 순서를 도출하고 수천 TPS를 달성하며, 최대 20k 노드까지 평가되었고 4.5–13.8분의 확정 시간을 보인다.

ABSTRACT

This paper presents Conflux, a fast, scalable and decentralized blockchain system that optimistically process concurrent blocks without discarding any as forks. The Conflux consensus protocol represents relationships between blocks as a direct acyclic graph and achieves consensus on a total order of the blocks. Conflux then, from the block order, deterministically derives a transaction total order as the blockchain ledger. We evaluated Conflux on Amazon EC2 clusters with up to 20k full nodes. Conflux achieves a transaction throughput of 5.76GB/h while confirming transactions in 4.5-7.4 minutes. The throughput is equivalent to 6400 transactions per second for typical Bitcoin transactions. Our results also indicate that when running Conflux, the consensus protocol is no longer the throughput bottleneck. The bottleneck is instead at the processing capability of individual nodes.

연구 동기 및 목표

• 전통적인 나카모토 합의의 처리량 병목 현상을 포킹 손실 없이 동시 블록 처리를 가능하게 하여 해소한다.
• 총 블록 순서에서 트랜잭션 순서를 느슨하게 조정하는 DAG 기반 합의를 제안한다.
• 표준 블록체인 가정 하에서 안전성 및 불가역성 특성을 입증한다.
• 비트코인과 GHOST와의 비교를 위해 대규모 클라우드 인프라스트럭처에서 프로토타입을 구현하고 평가한다.

제안 방법

• 동시 블록을 포착하기 위해 부모 및 참조 간선을 가진 DAG로 블록 간 관계를 표현한다.
• GHOST 규칙을 이용한 피벗 체인을 사용하여 안정적이고 불가역적인 원장을 정의한다.
• 피벗 체인을 사용하여 DAG를 에포크로 분할하고 각 에포크 내의 블록을 결정적으로 위상 정렬한다.
• 블록 총순서에서 트랜잭션의 총순서를 도출하기 위해 낙관적이고 충돌 인식적인 트랜잭션 조정을 사용한다.
• 높은 처리량을 가능하게 하기 위해 DAG 브로드캐스트 및 스테일 블록 처리를 지원하도록 Bitcoin Core 기반 구현을 수정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DAG 기반 합의가 동시 블록 간에 안전하고 효율적으로 총 블록 순서를 달성할 수 있는가?
• RQ2 Conflux의 피벗 체인과 에포크 기반 순서 관리가 거래 확인 시간과 처리량에 미치는 영향은?
• RQ3 실제 네트워크 조건에서 Conflux의 성능이 체인 기반 나카모토 프로토콜(B bitcoin, GHOST)과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 정직한 노드가 공격자보다 더 빨리 블록을 생성할 때의 안전성과 생존성 보장은 무엇인가?
• RQ5 수만 대에 달하는 노드 규모로 배포될 때의 실질적 처리량과 확인 지연은 무엇인가?

주요 결과

• Conflux는 노드당 대역폭 40 Mbps에서 5.76 GB/h 처리량을 달성(일반적인 비트코인 거래에 대해 6400 TPS에 해당).
• 노드당 대역폭 20 Mbps에서 2.88 GB/h 처리량을 달성하고 확인은 4.5–7.4분.
• 테스트 조건에서 Conflux는 처리량 면에서 비트코인 및 GHOST보다 약 11.62배 우수하고, Algorand를 능가했다.
• Conflux의 병목은 합의에서 네트워크 대역폭 등 개별 노드의 처리 능력으로 이동한다.
• 합의 보장은 피벗 체인의 불가역성과 두 에지 DAG 구조가 동시 블록을 안전하게 통합한다는 것에 의존한다.