[논문]블록체인을 위한 클러스터 기반의 확장 가능한 PBFT 합의 알고리즘에 관한 연구

허훈식; 서대영

doi:10.7236/jiibc.2020.20.2.45

[국내논문] 블록체인을 위한 클러스터 기반의 확장 가능한 PBFT 합의 알고리즘에 관한 연구
A Study on Scalable PBFT Consensus Algorithm based on Blockchain Cluster 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.20 no.2, 2020년, pp.45 - 53

허훈식 (한국산업기술대학교 컴퓨터공학부) , 서대영 (한국산업기술대학교 컴퓨터공학부)

초록
AI-Helper

블록체인은 탈중앙화된 방식으로 트랜잭션 제어가 가능하고 투명성, 보안성, 유연성과 같은 장점들로 인해 이미 제조, 금융, 은행, 물류, 의료 산업 영역으로의 도입이 검토되고 있으며, 경제적으로 큰 파급효과를 가져올 것으로 예측되고 있다. 그러나 블록체인은 확장성(Scalability), 탈중앙화(Decentralization), 보안(Security) 특성을 동시에 개선하기는 매우 어려운 3중 딜레마(Trilemma)가 존재한다. 그 중에서 블록체인의 가장 큰 한계는 확장성으로, 지속적으로 크게 증가하는 트랜잭션과 노드의 증가에 대처하기가 매우 어렵다. 블록체인을 확장 가능하게 하려면 기존의 합의 방식을 수정하거나 확장 방식에 영향을 주는 특성 및 네트워크 효율을 향상시켜 더 높은 성능을 달성할 수 있어야 한다. 따라서 본 연구에서는 허가형(Permissioned) 블록체인의 대표적인 합의 알고리즘인 PBFT의 메시지 복잡도인 O(n²)을 O(n)으로 줄이고 확장 구조에 적합한 클러스터 기반의 CBS-PBFT를 제안한다. 그리고 시뮬레이션 실험결과를 통해 타당성을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Blockchain can control transactions in a decentralized way and is already being considered for manufacturing, finance, banking, logistics, and medical industries due to its advantages such as transparency, security, and flexibility. And it is predicted to have a great economic effect. However, Blockchain has a Trilemma that is difficult to simultaneously improve scalability, decentralization and security characteristics. Among them, the biggest limitation of blockchain is scalability, which is very difficult to cope with the constantly increasing number of transactions and nodes. To make the blockchain scalable, higher performance should be achieved by modifying existing consensus methods or by improving the characteristics and network efficiency that affect many ways of scaling. Therefore, in this paper, we propose a cluster-based scalable PBFT consensus algorithm called CBS-PBFT which reduces the message complexity O(n2) of PBFT to O(n), which is a representative consensus algorithm of blockchain, and the validity is verified through simulation experiments.

주제어

표/그림 (7)

그림 그림 1. PBFT 합의 프로세스 Fig. 1. PBFT consensus process
그림 그림 2. CBS-PBFT 시스템 모델 Fig. 2. CBS-PBFT System Model
그림 그림 3. CBS-PBFT 기본 합의 프로세스 Fig. 3. CBS-PBFT Normal Consensus Process
그림 그림 4. CBS-PBFT 시스템 아키텍처 Fig. 4. CBS-PBFT System Architecture
표 표 1. PBFT 메시지 복잡도 Table 1. PBFT Message Complexity
그림 그림 5. PBFT와 CBS-PBFT(n) 비교 Fig. 5. PBFT vs. CBS-PBFT(n)
그림 그림 6. 클러스터 크기 변화에 따른 CBS-PBFT 비교 Fig. 6. Comparison of CBS-PBFT by Cluster size

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그리고 전체 통신 방식을 사용한 SDMA-PBFT^[15]는 계층적 구조에 기존 PBFT를 구현하여 통신 복잡도 O(n²)를O(n * k * logkn)으로 개선하여 확장성을 높였다. 본 연구는 PBFT에 선형 통신 방식을 도입하여 통신 복잡도를 줄이고 노드들의 군집화(Clustering)를 통해 노드 증가로 발생하는 확장성 문제를 개선하였다.
본 연구에서는 합의 알고리즘의 3중 딜레마 문제 중에서 확장성 문제를 분석하고 PBFT의 O(n²)인 메시지 복잡도를 O(n)으로 줄이고 확장 구조에 적합한 클러스터 구조 기반의 CBS-PBFT를 제안한다.
본 연구에서는 허가형 블록체인의 대표적인 합의 알고리즘인 PBFT보다 확장 구조에 적합한 클러스터 구조 기반의 CBS-PBFT를 제안하고 시뮬레이션을 통해 실험결과를 검증했다. CBS-PBFT는 합의 과정 중에서 prepare와 commit단계에서 메시지 복잡도를 O(n)으로 줄이고 전체 노드를 한 개의 클러스터로 구성하여 실험하였다.

가설 설정

3. [Commit]: 노드들은 prepared certificate를 가지게 되면 <Commit, v, n, i>σi 메시지를 모든 노드들에게 전송한다.
[9] 그래서 블록체인은 부분 동기 네트워크(Partial Synchronous Network)^[10]를 가정한다. 비동기 네트워크 환경은 노드가 메시지를 보내는 시간과 수신 노드가 메시지를 수신하는 시간 사이에 상한선이 무한하다.
비동기 네트워크 환경은 노드가 메시지를 보내는 시간과 수신 노드가 메시지를 수신하는 시간 사이에 상한선이 무한하다. 그래서 부분 동기 네트워크는 비동기 네트워크 환경에서 시간 초과 등과 같은 메커니즘을 통해 동기 네트워크 환경에서와 유사한 시스템 결과를 달성할 수 있음을 가정한다.
클러스터 영역 크기가 K이고 클러스터의 수가 M일 경우 전체 노드 수는 N = M＊K이다. 모든 클러스터의 크기 값인 K가 동일하고 노드 번호가 순차적으로 배정되었다고 가정한다.

제안 방법

본 연구에서는 허가형 블록체인의 대표적인 합의 알고리즘인 PBFT보다 확장 구조에 적합한 클러스터 구조 기반의 CBS-PBFT를 제안하고 시뮬레이션을 통해 실험결과를 검증했다. CBS-PBFT는 합의 과정 중에서 prepare와 commit단계에서 메시지 복잡도를 O(n)으로 줄이고 전체 노드를 한 개의 클러스터로 구성하여 실험하였다. 합의 지연시간을 측정 지표로 실험한 결과로 동일 환경에서 CBS-PBFT가 PBFT에 비해 합의 지연시간과 노드 확장에 따른 합의 지연시간 증가율 차이가 더 낮음을 확인할 수 있었다.
^[15] CBS-PBFT에서도 동일한 개념을 적용한다. 그러나 신규 프라이머리 노드 선출방식과 선형 통신 방식으로 변경으로 인한 예외 동작에 대해서는 새로운 해결 방안을 적용하였다.
통신 모듈은 HTTP 기반에 합의 단계를 위한 인터페이스로 REST API를 설계하고, 저장 모듈은 Committed 된 Request 메시지와 Reply된 결과 메시지를 저장하는 기능으로, 트랜잭션 생성 모듈은 다양한 실험을 위한 트랜잭션 생성 기능으로 설계하였다. 그리고 합의 모듈은 PBFT를 기본으로 설계하고 프로토타입 구현과 테스트 수행을 통해 동작을 확인하였다. 이후 CBS-PBFT의 설계를 진행하였다.
기존 PBFT 합의 알고리즘과 제안하는 CBS-PBFT의 비교 분석을 위해 프로토타입을 구현하여 시뮬레이션을 통해 실험하였다.
노드 컴포넌트는 합의 모듈, 통신 모듈, 저장 모듈로 구성하고 클라이언트 컴포넌트는 트랜잭션 생성 모듈, 통신 모듈, 저장 모듈로 구성하여 총 2400여 라인의 Golang 코드로 프로토타입을 구현했다.
합의 지연시간은 클라이언트의 거래 요청으로부터 블록체인 시스템의 거래결과 응답까지의 시간 간격을 의미한다. 본 실험에서는 PBFT와 CBS-PBFT의 성능을 비교를 위해 합의 지연시간을 측정하여 성능을 판단하였다.
는 클라이언트의 Reply 메시지 수신시점이다. 실험은 클라이언트 노드가 25개의 트랜잭션을 생성해서 프라이머리 노드에게 전송하여 합의과정을 완료하면, 클라이언트가 수신한 응답 결과를 파일에 저장하는 방식이다. 이때 한 개의 트랜잭션 크기를 125 Byte로 구성하였다.
이 측정 값으로 노드들의 평균 합의 지연시간과 TPS(Transaction Per Second)를 계산할 수 있다. 이 실험 방식을 5회에서 10회까지 반복 측정하여 평균 값을 도출하였다.
그리고 합의 모듈은 PBFT를 기본으로 설계하고 프로토타입 구현과 테스트 수행을 통해 동작을 확인하였다. 이후 CBS-PBFT의 설계를 진행하였다.
통신 모듈은 HTTP 기반에 합의 단계를 위한 인터페이스로 REST API를 설계하고, 저장 모듈은 Committed 된 Request 메시지와 Reply된 결과 메시지를 저장하는 기능으로, 트랜잭션 생성 모듈은 다양한 실험을 위한 트랜잭션 생성 기능으로 설계하였다. 그리고 합의 모듈은 PBFT를 기본으로 설계하고 프로토타입 구현과 테스트 수행을 통해 동작을 확인하였다.
프로토타입 구현을 위해 동시성 제어 및 서버 시스템 구현에 적합한 Golang 언어를, 시스템 노드 간의 통신은 HTTP 프로토콜을 사용하여 노드 컴포넌트와 클라이언트 컴포넌트로 구성된 아키텍처를 설계했다.

대상 데이터

시뮬레이션 환경은 코어가 4개인 i7-6700 3.40GHz CPU와 RAM 8GB로 구성된 인텔 시스템 22대를 LAN으로 구성하였다. 그리고 합의 지연시간을 성능 평가지표로 사용하였다.

이론/모형

40GHz CPU와 RAM 8GB로 구성된 인텔 시스템 22대를 LAN으로 구성하였다. 그리고 합의 지연시간을 성능 평가지표로 사용하였다. 합의 지연시간은 클라이언트의 거래 요청으로부터 블록체인 시스템의 거래결과 응답까지의 시간 간격을 의미한다.

성능/효과

1. Prepare 단계와 Commit 단계에서 프라이머리 노드가 2f + 1개의 메시지를 받지 못했다면 시간초과가 발생한다. 이 경우는 프라이머리 노드는 백업 노드들에게 [Prepare-Timeout] 메시지를 발행하고 백업 노드들은 View Change Protocol을 진행한다.
2. 백업 노드들이 [Prepare-set], [Commit-set] 메시지를 받지 못했다면 시간초과가 발생한다. 이 경우 백업 노드들은 View Change Protocol을 진행한다.
FLP Impossibility 연구 결과 비동기 네트워크 환경에서 Safety와 Liveness 특성 모두를 만족하는 합의 알고리즘은 존재할 수 없음을 증명하였다.^[9] 그래서 블록체인은 부분 동기 네트워크(Partial Synchronous Network)^[10]를 가정한다.
합의 지연시간을 측정 지표로 실험한 결과로 동일 환경에서 CBS-PBFT가 PBFT에 비해 합의 지연시간과 노드 확장에 따른 합의 지연시간 증가율 차이가 더 낮음을 확인할 수 있었다. 그리고 CBS-PBFT를 대상으로 클러스터 크기 변화를 통한 성능 변화를 실험하였고 클러스터의 크기가 노드확장으로 인한 합의 지연시간 증가율과 합의 성능에 영향을 준다는 결과를 확인할 수 있었다. 이 2가지 결과를 토대로 CBS-PBFT가 PBFT에 비해 확장성이 더 좋은 구조라고 할 수 있다.
66ms보다 적어 의미 있는 실험 결과를 보여준다. 그리고 비잔틴 결함 노드 수 f를 2에서 6으로 1씩 증가시켰을 경우, 즉 노드 7에서 19대까지 노드 수를 3대씩 늘린 실험 결과를 보면 PBFT는 합의 지연시간 증가율이 구간 평균 24.83%를 보여주고 CBS-PBFT는 상대적으로 7.56%가 낮은 17.27%을 보여준다.
그림 5의 실험 결과를 보면, 노드 수가 19대인 실험에서 CBS-PBFT(n)은 PBFT보다 30% 정도 낮은 합의 지연시간을 보여준다. 특히 노드 19대 실험에서의 CBS-PBFT(n) 합의 지연시간 결과 값 46.76ms는 노드 수가 16대 실험에서의 PBFT 결과 값 48.66ms보다 적어 의미 있는 실험 결과를 보여준다. 그리고 비잔틴 결함 노드 수 f를 2에서 6으로 1씩 증가시켰을 경우, 즉 노드 7에서 19대까지 노드 수를 3대씩 늘린 실험 결과를 보면 PBFT는 합의 지연시간 증가율이 구간 평균 24.
CBS-PBFT는 합의 과정 중에서 prepare와 commit단계에서 메시지 복잡도를 O(n)으로 줄이고 전체 노드를 한 개의 클러스터로 구성하여 실험하였다. 합의 지연시간을 측정 지표로 실험한 결과로 동일 환경에서 CBS-PBFT가 PBFT에 비해 합의 지연시간과 노드 확장에 따른 합의 지연시간 증가율 차이가 더 낮음을 확인할 수 있었다. 그리고 CBS-PBFT를 대상으로 클러스터 크기 변화를 통한 성능 변화를 실험하였고 클러스터의 크기가 노드확장으로 인한 합의 지연시간 증가율과 합의 성능에 영향을 준다는 결과를 확인할 수 있었다.

후속연구

추가 연구로는 더 큰 규모의 실험 환경에서 응답 시간 초과를 반영한 실험을 통해 클러스터 크기 변화에 대한 영향력을 분석하고 CBS-PBFT의 확장성을 높일 수 있는 방안과 프라이머리 노드 선정 방식에서의 보안성 강화 방안을 연구할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	블록체인을 네트워크 참여 관점에서 분류하면 어떻게 나뉘는가?	블록체인은 네트워크 참여 관점에서 보면 노드의 승인 여부에 따라 비허가형(Permissionless) 블록체인과 허가형(Permissioned) 블록체인으로 분류할 수 있으며, 운영 관점에서 보면 비허가형은 Public, 허가형은 Private 또는 Consortium으로 분류할 수 있다. 비허가형 블록체인의 대표적인 합의 알고리즘은 작업 증명(PoW: Proof of Work), 지분 증명(PoS: Proof of Stake), 위임 지분 증명(DPoS: Delegated Proof of Stake)이 있으며, 허가형 블록체인의 대표적인 합의 알고리즘은 PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)가 있다.
	블록체인의 특징은?	블록체인은 탈중앙화된 방식으로 트랜잭션 제어가 가능하고 투명성, 보안성, 유연성과 같은 장점들로 인해 이미 제조, 금융, 은행, 물류, 의료 산업 영역으로의 도입이 검토되고 있으며, 경제적으로 큰 파급효과를 가져올 것으로 예측되고 있다. 그러나 블록체인은 확장성(Scalability), 탈중앙화(Decentralization), 보안(Security) 특성을 동시에 개선하기는 매우 어려운 3중 딜레마(Trilemma)가 존재한다.
	블록체인은 요청된 트랜잭션이 시간 순서대로 같은 결과를 갖도록 분산 저장되어야 하는데, 이를 위해 필요한 알고리즘은 무엇인가?	블록체인은 요청된 트랜잭션이 시간 순서대로 같은 결과를 갖도록 분산 저장되어야 한다. 이를 위해서는 네트워크 참여 노드들 간에 트랜잭션들로 구성된 블록을 생성하고 블록의 유효성을 검증하고 신뢰할 수 있는 방식으로 공유하는 합의 알고리즘이 필요하다.

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