산업 연구 보고서: 블록체인 합의 프로토콜의 최신 발전 및 응용

素材 출처: Matthieu Rambaud, Télécom Paris

개편 저자: 익명, 비계망

보고서 요약

본 보고서는 블록체인 합의 프로토콜의 발전 현황을 탐구하며, 비동기 바잔틴 내결함성 상태 기계 복제(BFT SMR) 프로토콜의 최신 진행 상황을 중점적으로 분석합니다. 현재 가장 빠른 비동기 프로토콜은 2-chain VABA이지만, 그 결함으로 인해 9.5δ의 예상 지연을 달성하지 못했습니다. 따라서 sMVBA는 현재 가장 빠른 비동기 MVBA 프로토콜로, 예상 지연은 10δ입니다. 보고서는 또한 두 가지 새로운 프로토콜 설계인 2PAC(2단계 비동기 합의)와 초고속 파이프라인 블록을 제안하여, 처리량과 지연 측면에서의 현저한 개선을 보여줍니다.

블록체인 기술은 분산 원장 기술로서, 합의 메커니즘을 통해 데이터의 완전성과 일관성을 보장합니다. 합의 메커니즘은 블록체인 시스템의 핵심으로, 그 성능은 블록체인의 확장성과 안전성에 직접적인 영향을 미칩니다. 비동기 바잔틴 내결함성(BFT) 합의 메커니즘은 네트워크 지연과 일부 노드의 실패에 대응하는 데 독특한 장점을 가지고 있어 연구의 주요 초점이 되고 있습니다.

모델 및 정의

비동기 BFT 모델에서 시스템은 n = 3f + 1개의 프로세스로 구성되며, 이 중 f개의 프로세스는 적에 의해 악의적으로 파괴될 수 있습니다. 이러한 프로세스는 비동기 채널을 통해 서로 통신하며, 메시지 전송 지연은 적에 의해 제어됩니다. 각 프로세스는 서명 및 검증을 위한 공개 키와 개인 키 쌍을 보유하여 메시지의 진위와 완전성을 보장합니다.

블록체인 합의

블록체인 합의 프로토콜은 모든 정직한 노드가 블록체인의 상태에 대해 일치하도록 하는 것을 목표로 합니다. 구체적으로, 각 노드는 지속적으로 새로운 거래를 수신하고 이를 블록으로 패키징하여, 합의 프로토콜을 통해 이러한 블록이 모든 정직한 노드에서 일치하도록 보장합니다. 블록체인 합의 프로토콜은 다음과 같은 기본 요구 사항을 충족해야 합니다:

활성화(Liveness): 무한 실행 중에 결정된 블록체인이 무한히 존재해야 합니다.

일관성(Consistency): 두 개의 결정된 블록체인이 존재할 경우, 그 중 하나는 다른 하나의 접두사여야 합니다.

P 품질(P-Quality): 결정된 블록체인에서 정직한 노드가 입력한 거래의 비율이 최소한 p 이상이어야 합니다.

현재 비동기 합의 프로토콜의 도전 과제

현재 가장 빠른 비동기 합의 프로토콜은 2-chain VABA로, 예상 지연은 9.5δ입니다. 그러나 우리는 이 프로토콜이 여러 공격 방식에 취약하여 일관성과 활성화가 손상된다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 인증 검사가 부족하여 발생하는 공격, 활성화를 방해하는 상승 전략을 이용한 공격, 리더 인증 정의의 완화로 인한 일관성 공격 등이 있습니다. 비록 2-chain VABA가 다수의 평행 인스턴스를 병렬로 실행하는 새로운 메커니즘을 도입했지만, 이러한 문제를 완전히 해결하지는 못했습니다.

새로운 프로토콜 설계: 2PAC(2단계 비동기 합의)

기존 프로토콜에 대한 분석을 바탕으로, 우리는 2PAC 프로토콜을 제안합니다. 이 프로토콜은 합의 과정을 단순화하고 최적화하여 성능을 현저히 향상시킵니다. 구체적으로 두 가지 변종이 포함됩니다:

2PAClean:

+90%의 처리량과 9.5δ의 예상 지연을 달성하며, 메시지 복잡도는 O(n²)입니다.

불필요한 상호작용과 계산 오버헤드를 제거하여 프로토콜의 효율성을 높였습니다.

2PACBIG:

현재 메시지 복잡도가 O(n³)인 가장 빠른 블록체인 합의 프로토콜입니다.

무고장 단일 MVBA 실행 시간은 4δ로, 지연을 크게 줄였습니다.

초고속 파이프라인 블록

우리는 파이프라인 블록의 지연을 현저히 줄이는 새로운 파이프라인 블록 설계를 제안합니다. 빠른 경로 메커니즘을 도입하여, 공정 스케줄러 하에서 파이프라인 블록의 결정 시간이 비파이프라인 블록보다 더 짧아질 수 있습니다. 이 메커니즘은 모든 실행에서 빠른 경로의 지연을 보장하며, 고장 프로세스의 행동에 영향을 받지 않습니다.

정량적 결과

이론 분석과 실제 테스트를 통해, 2PAClean의 최악의 경우 예상 지연은 9.5δ이며, 좋은 경우(무고장 및 반공정 스케줄러)에는 6δ입니다. 이에 비해 sMVBA의 예상 지연은 10δ이며, 좋은 경우에는 6δ입니다. 따라서 2PAClean은 동일한 좋은 경우 지연을 유지하면서 최악의 경우 지연을 0.5δ 줄였습니다. 또한, 2PAClean의 처리량은 체인형 sMVBA에 비해 80%에서 100% 향상되었으며, 이는 새로운 설계에서 불필요한 블록 폐기와 계산 오버헤드를 피한 데 기인합니다.

2PACBIG는 메시지 복잡도가 O(n³)인 프로토콜로, 단일 MVBA 실행 시간은 4δ로, 기존의 모든 프로토콜보다 빠릅니다. 또한, 초고속 파이프라인 블록 설계로 인해 s2PAClean과 s2PACBIG는 각각 4δ와 3δ의 파이프라인 블록 결정 시간을 달성하여 프로토콜의 성능을 더욱 향상시켰습니다.

계산 평가

새로운 프로토콜의 성능을 검증하기 위해 광범위한 계산 평가를 수행했습니다. 결과는 2PAClean과 2PACBIG이 다양한 네트워크 조건에서 우수한 성능을 보이며, 특히 높은 지연과 높은 고장률 환경에서 두드러진 성과를 나타냅니다. 구체적으로, 2PAClean은 메시지 전달 지연과 계산 복잡도 간의 좋은 균형을 이루었고, 2PACBIG는 병렬화 및 투표 과정 최적화를 통해 더 낮은 지연을 달성했습니다.

블록체인 기술이 지속적으로 발전함에 따라, 비동기 BFT 합의 프로토콜은 안전성을 보장하고 성능을 향상시키는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다. 2PAC와 초고속 파이프라인 블록의 설계는 미래 블록체인 합의 프로토콜의 발전 방향을 보여주며, 프로토콜 구조를 단순화하고 합의 과정을 최적화하여 더 높은 처리량과 더 낮은 지연을 실현하는 것을 목표로 합니다.

미래 연구는 다음과 같은 여러 방향을 추가로 탐구할 수 있습니다:

프로토콜 최적화: 프로토콜 구조를 더욱 단순화하고 최적화하여 불필요한 메시지 전달 및 계산 오버헤드를 줄입니다.

안전성 분석: 다양한 공격 시나리오에서 새로운 프로토콜의 안전성을 심층 분석하여 실제 응용에서의 신뢰성을 보장합니다.

실제 응용: 새로운 프로토콜을 실제 블록체인 시스템에 적용하여 실제 네트워크 환경에서의 성능을 검증합니다.

본 보고서는 현재 비동기 블록체인 합의 프로토콜의 장단점을 상세히 분석하고, 두 가지 새로운 프로토콜 설계인 2PAC와 초고속 파이프라인 블록을 제안합니다. 새로운 설계는 처리량을 높이고 지연을 줄이는 데 현저한 장점을 보여주며, 미래 블록체인 기술 발전에 중요한 참고 자료를 제공합니다. 이러한 새로운 프로토콜은 이론적으로 그 우수성을 입증했을 뿐만 아니라 실제 테스트에서도 뛰어난 성능을 보여주어, 효율적이고 안전한 블록체인 합의 프로토콜을 실현하기 위한 새로운 사고를 제공합니다.

지속적인 연구와 최적화를 통해, 블록체인 기술이 미래 디지털 경제에서 더욱 중요한 역할을 할 것이라는 믿음을 가지며, 새로운 세대의 합의 프로토콜이 이 기술 발전에 튼튼한 기반을 제공할 것입니다.