[논문 리뷰] Simulation of the Bitcoin Network Considering Compact Block Relay and Internet Improvements

Ryunosuke Nagayama, Kazuyuki Shudo외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 11.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 2015년에서 2019년까지 블록 전파 지연에 미치는 컴팩트 블록 릴레이와 인터넷 개선 사항의 영향을 평가하기 위해 네트워크 시뮬레이터를 사용하여 비트코인의 블록 전파를 시뮬레이션한다. 연구 결과, 컴팩트 블록 릴레이는 90번째 백분위수에서 블록 전파 지연을 90.1% 감소시켰고, 인터넷 개선 사항은 동일한 백분위수에서 63.7% 감소시켰으며, 이는 블록체인의 처리량과 보안을 크게 향상시켰다.

ABSTRACT

Improving transaction throughput is an important challenge for Bitcoin. However, shortening the block generation interval or increasing the block size to improve throughput makes it sharing blocks within the network slower and increases the number of orphan blocks. Consequently, the security of the blockchain is sacrificed. To mitigate this, it is necessary to reduce the block propagation delay. Because of the contribution of new Bitcoin protocols and evolution of the Internet, the block propagation delay in the Bitcoin network has been shortened in recent years. In this study, we measure the block propagation delay on the Bitcoin network using a simulator, and investigate the effect of compact block relay---an up-to-date Bitcoin protocol---and Internet improvements from 2015 to 2019. The experimental results reveal that the block propagation delay is reduced by 64.5% for the 50th percentile and 63.7% for the 90th percentile due to Internet improvements, and by 90.1% for the 90th percentile and by 87.6% for the 90th percentile due to compact block relay.

연구 동기 및 목표

• 2015년 이후 컴팩트 블록 릴레이와 인터넷 인프라 개선 사항이 비트코인 네트워크의 블록 전파 지연에 미친 영향을 분석하기 위해.
• 컴팩트 블록 릴레이와 같은 프로토콜 수준 최적화로 인한 블록 전파 지연 감소를 정량화하기 위해.
• 비트코인에서 거래 처리량과 네트워크 효율성에 미치는 광범위한 인터넷 개선 사항의 영향을 평가하기 위해.
• 낮아진 전파 지연이 고갈 블록 비율을 완화하고 블록체인 보안을 향상시키는지 평가하기 위해.
• 현대 비트코인 네트워크 최적화의 효과를 실험 기반 시뮬레이션 증거로 제공하기 위해.

제안 방법

• 비트코인 페어 투 페어 네트워크를 모델링하고 실제 조건에서 블록 전파를 시뮬레이션하기 위해 네트워크 시뮬레이터를 사용하였다.
• 시뮬레이션은 2015년에서 2019년까지 실제 비트코인 네트워크의 토폴로지와 트래픽 패턴을 반영하여 변화하는 네트워크 조건을 반영하였다.
• 컴팩트 블록 릴레이는 블록 전송 크기를 줄이기 위해 거래 참조와 누락된 데이터만 전송하는 프로토콜 수준 최적화로 시뮬레이션되었다.
• 인터넷 개선 사항은 시뮬레이션 기간 동안 피어 간 연결의 지연 감소와 대역폭 증가를 통해 모델링되었다.
• 다양한 네트워크 조건에서 성능을 평가하기 위해 블록 전파 지연을 50번째 백분위수와 90번째 백분위수에서 측정하였다.
• 각 요소를 포함하거나 제외한 시뮬레이션 런을 비교하여 컴팩트 블록 릴레이와 인터넷 개선 사항의 영향을 고립적으로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2015년에서 2019년 사이에 컴팩트 블록 릴레이는 비트코인 네트워크에서 블록 전파 지연을 얼마나 줄였는가?
• RQ2 동일 기간 동안 인터넷 인프라 개선 사항은 블록 전파 지연에 얼마나 기여했는가?
• RQ3 컴팩트 블록 릴레이와 인터넷 개선 사항의 병합 효과는 90번째 백분위수 블록 전파 지연에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이러한 발전 사항은 고갈 블록 비율과 전체 블록체인 보안에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 낮아진 전파 지연은 더 높은 블록 크기 또는 더 짧은 블록 간격과 네트워크 동기화 간의 상충 관계를 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 컴팩트 블록 릴레이는 기준 시나리오 대비 90번째 백분위수 블록 전파 지연을 90.1% 감소시켰다.
• 2015년에서 2019년 사이의 인터넷 개선 사항은 90번째 백분위수 블록 전파 지연을 63.7% 감소시켰다.
• 인터넷 개선 사항으로 인해 50번째 백분위수 블록 전파 지연은 64.5% 감소하였다.
• 컴팩트 블록 릴레이로 인해 50번째 백분위수 지연은 87.6% 감소하였다.
• 두 개선 사항의 병합 효과는 고갈 블록 발생 가능성을 크게 감소시켜 네트워크 보안을 향상시켰다.
• 결과적으로, 컴팩트 블록 릴레이와 같은 프로토콜 수준 최적화는 일반적인 인터넷 개선 사항보다 지연 감소에 훨씬 더 큰 영향을 미친다.