[논문]블록체인 기법의 확장가능성을 위한 병행 수행 제어 기법에 대한 연구

강용혁; 박원형

doi:10.33778/kcsa.2020.20.3.071

초록
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비트코인에 기반한 블록체인 기술은 익명성이 있는 스마트 계약, 저렴한 송금, 온라인 거래 등을 가능하게 하는 하부구조를 제시하고 있다. 하지만, 비트코인을 구현하는 블록체인 기술은 처리량과 지연시간 간의 트레이드오프 관계에 있는 확장가능성 제한을 갖고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 비잔틴 고장 감내 기반 블록체인 기술이 제안되었다. 이 기법은 리더를 선출하고 리더에 의해 기존 블록 내에 작업증명을 포함하지 않는 많은 마이크로 블록을 구성하여 지연시간 증가 없이 처리량을 향상시켰다. 하지만 이 기법은 리더를 선출하는 부분에서 기존 기법보다 보안성이 떨어질 수 있다. 본 논문에서는 마이크로 블록기술과 병행수행 기법을 통해 블록체인 기술의 확장가능성을 위한 기법을 제안한다. 하나의 마이크로 블록 내에는 여러 개의 거래에 대한 정보가 있다.

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Bitcoin-based blockchain technology provides an infrastructure that enables anonymous smart contracts, low-cost remittances, and online payments. However, the block-chain technology that implements the bitcoin has scalability constraints in tradeoffs between throughput and latency. To solve these pr...

Bitcoin-based blockchain technology provides an infrastructure that enables anonymous smart contracts, low-cost remittances, and online payments. However, the block-chain technology that implements the bitcoin has scalability constraints in tradeoffs between throughput and latency. To solve these problems, the Byzantine fault tolerant block-chain technique has been proposed. This technique improves throughput without increasing latency by selecting a leader and constructing many microblocks that do not contain proofs of work within the existing block by the leader. However, this technique may be less secure than existing techniques in selecting the reader.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

대표적으로는 비트코인에 사용된 PoW(Proof of Work) 기법과 PoW의 단점인 자원 낭비를 줄이기 위한 PoS(Proof of Stake) 기법이 대표적이다. 본 논문에서는 PoS를 기반으로 트랜잭션의 동시성 제어 기법을 적용한 확장성을 고려한 DAG(Direct Acyclic Graph) 형태인 블록체인 기법을 제안한다[6][7].
본 논문에서는 데이터베이스의 병행 수행 제어기법을 이용하여 이중 지불 방지 기법과 속도 및 확장 가능성을 갖는 블록체인 기술을 제안하였다. 향후 연구과제로는 제안 기법에 대한 상세 설계와 검증을 수행하고 성능평가를 수행하는 것이다.

제안 방법

다중도 m과 이전 링크의 수 p를 파라메터로 하여 1000회 시뮬레이션을 통해 성능 평가를 수행하였다. 다중도는 5, 10, 15 20값을 가지며 이전 링크의 수는 비율로 하여 0.
낙관적 기법은 공유되는 자원이 적고 트랜잭션의 수행시간이 짧은 환경에서 좋은 효율을 보인다. 본 논문에서는 낙관적 기법을 이용하여 트랜잭션의 병행 수행을 최대한 허용하고 충돌을 탐지하여 취소하는 기법을 사용한다.
채굴자는 stake 또는 작은 보증 금액들을 모은 stake 그룹으로 등록할 수 있다. 제안 기법은 공모 공격을 막기 위해 시작단계에서 등록된 stake들 중에서 램덤으로 선정되며 선정된 채굴자들은 종료단계까지 블록을 생성시킬 수 있다. 한번 선정된 stake는 한동안 선정되지 않게 할 수 있다.
본 논문에서는 블록체인의 확장성을 높이기 위하여 체인 구조가 아닌 DAG(Direct Acyclic Graph)구조를 사용하며 확장성과 일관성을 높이기 위해 데이터베이스의 병행수행 기법을 적용한다. 제안 기법은 병행 수행을 시작하는 한 개의 블록으로 구성된 시작 단계와 병행 수행을 종료하는 한 개의 블록으로 구성된 종료 단계가 있다. 종료 단계는 새로운 단계들의 시작 단계가 된다.
종료 단계는 새로운 단계들의 시작 단계가 된다. 제안 기법은 시작 단계에서 참여자의 수에 따라 시작 단계에서 종료 단계까지의 단계의 수가 정해진다. 제안 기법은 병행 수행 다중도에 따라 다음과 같은 형태가 존재할 수 있다.
2인 경우 이전 링크의 수는 각각 1과 4개가 된다. 트랜잭션의 충돌을 검출할 확률을 구하기 위해 충돌하는 이전 블록 2개의 쌍을 다음 m개의 블록에서 아무도 동시에 링크하지 못하는 경우로 하였다. 이를 구하기 위해 이전 블록 2개의 쌍에 대한 전체 경우 중에 이전 블록 2개를 동시에 다음 블록에서 포함되지 않는 경우를 구하여 (그림 5)에 보였다.

이론/모형

본 논문에서는 블록체인의 확장성을 높이기 위하여 체인 구조가 아닌 DAG(Direct Acyclic Graph)구조를 사용하며 확장성과 일관성을 높이기 위해 데이터베이스의 병행수행 기법을 적용한다. 제안 기법은 병행 수행을 시작하는 한 개의 블록으로 구성된 시작 단계와 병행 수행을 종료하는 한 개의 블록으로 구성된 종료 단계가 있다.
다수의 블록이 동시에 제안될 수 있으며, 가지 문제를 해결하기 위해 가지 선정 알고리즘이 사용된다. 비트코인 기법은 PoW 기법을 이용하여 블록 제안 기법을 사용했으며, 가장 긴 체인(longest chain)을 가지 선정 정책으로 사용했다. 리더 기반 기법은 선출된 리더에 의해 다음 블록 연계가 결정되는 기법이다.
선정되지 않는 채굴자나 일반 참여자는 블록체인 상의 부정행위를 탐지할 수 있으며 탐지한 경우 인센티브를 받을 수 있다. 제안기법의 합의 알고리즘으로는 PoS 기법을 사용하며 각 블록 생성자가 책임을 지는 방식을 사용한다. 채굴자는 stake 또는 stake 그룹으로 등록한다.
블록이 트랜잭션을 포함할 수 있는 최대값은 블록의 크기와 트랜잭션의 크기에 의존한다. 트랜잭션의 인증을 검증(verify)하기 위해서 공개키를 기반으로 하는 비대칭키 암호화 기법인 디지털 서명을 사용한다. 전송자는 자신의 개인키를 이용하여 트랜잭션을 서명하고 수신자는 공개된 전송자의 공개키를 이용하여 트랜잭션을 검증할 수 있다.

성능/효과

PoS 기법을 쓰는 블록체인이 해결해야 할 가장 큰 문제는 이중 지불 문제와 stake를 많이 가진 소유자가 더 많은 이익을 얻는 문제이다. 제안 기법은 이중 지불을 탐지하고 취소하고 이중 지불한 사용자에게 패널티를 부가함으로써 이중 지불을 방지할 수 있다. 또한, stake를 많이 가진 소유자보다는 stake가 적은 소유자에게 수수료를 더 우선적으로 할당하고 stake를 더많이 가진 소유자의 부정행위를 탐지하고 패널티를 부가함으로써 문제를 해결한다.
또한, stake를 많이 가진 소유자보다는 stake가 적은 소유자에게 수수료를 더 우선적으로 할당하고 stake를 더많이 가진 소유자의 부정행위를 탐지하고 패널티를 부가함으로써 문제를 해결한다. 제안 기법의 성능은 기존 기법보다 더많은 블록을 동시에 생성하여 블록체인의 확장성 및 효율성을 향상시킬 수 있다는 점이다. 고정형의 성능향상은 다중화 파라메터인 m에 비례하여 증가한다.
향후 연구과제로는 제안 기법에 대한 상세 설계와 검증을 수행하고 성능평가를 수행하는 것이다. 제안기법은 레벨이 증가할수록 성능은 향상되지만 충돌가능성이 높아진다. 향후 연구과제로는 제안기법을 구현하는 것과 실험을 통해 성능평가를 수행하는 것이다.

후속연구

본 논문에서는 데이터베이스의 병행 수행 제어기법을 이용하여 이중 지불 방지 기법과 속도 및 확장 가능성을 갖는 블록체인 기술을 제안하였다. 향후 연구과제로는 제안 기법에 대한 상세 설계와 검증을 수행하고 성능평가를 수행하는 것이다. 제안기법은 레벨이 증가할수록 성능은 향상되지만 충돌가능성이 높아진다.
제안기법은 레벨이 증가할수록 성능은 향상되지만 충돌가능성이 높아진다. 향후 연구과제로는 제안기법을 구현하는 것과 실험을 통해 성능평가를 수행하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	블록체인의 기반 기술로는 무엇이 있는가?	블록체인의 기반 기술로는 분산 원장 기술, 합의 프로토콜, 암호학, 스마트 계약 등이 있다. 분산 원장 기술은 분산시스템과 데이터베이스 기술이며 합의 프로토콜은 분산시스템의 복제본에 대한 동일한 값을 유지하는 기술이다.
	PoS 기법의 단점은 무엇인가?	이 기법은 더많은 화폐를 가진 사람은 네트워크를 공격하지 않을 것이라는 믿음에서 시작한다. 이 기법의 단점은 화폐를 가장 많이 가진 노드가 네트워크를 장악할 위험성이 있다는 점이다. PoW 기법과 비교했을 때 PoS 기법은 에너지 절약하고 더 효과적이지만, 공격 위험성이 높아진다.
	블록체인의 유형으로는 무엇이 있는가?	블록체인의 유형으로는 공개(public)형 블록체인, 사설(private)형 블록체인, 컨소시엄(consortium)형 블록체인이 있으며, 노드들의 참여를 제한하는 것과 관련하여 승인을 요구하는(permissioned) 블록체인과 승인이 필요없는(permissionless) 블록체인으로 구분할 수 있다. 블록체인의 응용은 암호화폐(Crypto-currency) 뿐만 아니라 수많은 분야에서 여러 가지 유형으로 나오고 있다[2].

참고문헌 (10)

Nakamoto, Satoshi. "Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system.", 2008.
www.3.weforum.org/
https://www.coinhills.com/ko/market/exchange/
www.ccn.com/privacy-coin-verge-succumbsto-51-attack-again/.
Chen, L., Chen, L., Jordan, S., Liu, Y. K., Moody, D., Peralta, R., and Smith-Tone, D. Report on post-quantum cryptography. National Institute of Standards and Technology, 2016.
Eyal, I., & Sirer, E. G., Majority is not enough: Bitcoin mining is vulnerable. Communications of the ACM, Vol. 61, No. 7, pp. 95-102. 2018.

상세보기
Kwon, Y., Kim, D., Son, Y, Vasserman, E., and Kim, Y, Be selfish and avoid dilemmas: Fork after withholding attacks on bitcoin. In Proceedings of the 2017 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security, pp. 195-209, 2017.
Bonneau, Joseph. Hostile blockchain takeovers, Bitcoin'18: Proceedings of the 5th Workshop on Bitcoin and Blockchain Research. 2018.
Aggarwal, D., Brennen, G. K., Lee, T., Santha, M., and Tomamichel, M, Quantum attacks on Bitcoin, and how to protect against them. arXiv preprint arXiv:1710.10377, 2017.
Boyer, M., Brassard, G., Hoyer, P., and Tapp, A., Tight bounds on quantum searching. Fortschritte der Physik: Progress of Physics, Vol. 46, No. 45, pp. 493-505, 1998.

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