[논문]NFT 거래 안정성을 고려한 합의알고리즘 성능분석

민연아; 임동균

doi:10.7236/jiibc.2022.22.2.151

NFT 거래 안정성을 고려한 합의알고리즘 성능분석
Performance Analysis of Consensus Algorithm considering NFT Transaction Stability 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.22 no.2, 2022년, pp.151 - 157

민연아 (한양사이버대학교 응용소프트웨어공학과) , 임동균 (한양사이버대학교 컴퓨터소프트웨어공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 NFT 거래 시 거래비용과 처리시간의 증가 및 스마트 계약 실행 시 발생하는 거래 안정성 요구을 높이기 위한 방법으로 다양한 블록체인 합의알고리즘의 성능을 비교 분석하였다. 성능 비교를 위한 평가항목으로 네트워크 신뢰성, TPS, 합의알고리즘의 안정성의 세 가지 평가항목에 대하여 제시하였다. 각 평가항목에 대한 정형화된 식을 수립하기 위하여 연산식에 노드의 신뢰도와 스마트 계약 성공률 등을 변수로 고려하였으며 동일 조건하에 PoW와 Raft, PBFT 세 개 그룹의 합의알고리즘에 대하여 성능을 비교하고 분석하였다. 성능평가 결과 네트워크 신뢰도는 세 그룹의 성능이 유사하였으며 나머지 두 개의 평가항목의 경우 다른 합의알고리즘 대비 PBFT 합의알고리즘이 우수한 것으로 분석되었다. 본 연구의 성능평가 연산식과 결과를 통하여 PBFT 합의시 본 연구에서 제안한 처리 과정을 합의 과정에 반영하여 처리할 경우 네트워크 신뢰성을 보장하고 합의 알고리즘의 안정성과 경제적 효율성을 높일 수 있는 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the performance of various blockchain consensus algorithms was compared and analyzed as a method to increase the transaction cost and processing time during NFT transactions and to increase the transaction stability requirements that occur during smart contract execution. Network reliability and TPS are evaluation items for performance comparison. TPS and the stability of the Consensus algorithm are presented for three evaluation items. In order to establish a standardized expression for each evaluation item, the reliability of the node and the success rate of the smart contract were considered as variables in the calculation formula, and the performance of the consensus algorithm of the three groups, PoW/PoS, Paxos/Raft and PBFT, was compared under the same conditions. / analyzed. As a result of the performance evaluation, the network reliability of the three groups was similar, and in the case of the remaining two evaluation items, it was analyzed that the PBFT consensus algorithm was superior to other consensus algorithms. Through the performance evaluation equations and results of this study, it was analyzed that when the PBFT consensus processing process is reflected in the consensus process, the network reliability can be guaranteed and the stability and economic efficiency of the consensus algorithm can be increased.

주제어

표/그림 (4)

그림 그림 1. 가스 소모과정 Fig. 1. gas consumption process
그림 그림 2. 합의알고리즘 성능 비교 Fig. 2. Consensus Algorithm Performance Comparison
표 표 1. 합의 알고리즘 실행안정성 평가를 위한 수식 Table 1. Equation for Evaluating Consensus Algorithm Execution Stability
표 표 2. 합의알고리즘의 성능평가 항목별 수식 Table 2. Equation for each performance evaluation item of each consensus algorithm

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

향후 다양한 형태의 자산에 대한 투명한 거래기술로 NFT 기술이 제시되기 위해서는 보다 안전한 합의 과정이 필요하다. 본 논문에서는 NFT를 기반으로 디지털 콘텐츠 거래 시 안전성과 익명성을 보장하기 위하여 안정성과 보안 측면을 고려한 다양한 합의알고리즘을 성능 평가 한다.
본 논문에서는 NFT에 대한 거래 효율성을 높이기 위하여 다수의 합의알고리즘을 비교·분석하여 NFT 자산을 위한 최적의 합의알고리즘 상태를 연구한다.

제안 방법

본 논문에서 제시한 성능평가 요소는 네트워크 신뢰성, 초당 트랜잭션 처리량, 합의 알고리즘의 실행 안정성이며 각 항목에 대하여 다양한 합의 알고리즘 성능평가를 위한 수식을 제시하였다. 본 논문에서 제시한 항목은 NFT 거래 및 합의 시 발생 가능한 요구 조건에서 중요한 항목이다.
본 논문에서는 NFT 기반 거래에서 시간과 비용 등 경제적 효율성을 높이고 안정성을 보장하기 위한 효율적인 블록체인 합의알고리즘 선정을 위하여 동일한 거래환경에서 거래 합의 시 발생하는 다양한 성능평가항목을 수식의 연산을 통하여 계산하고 성능 평가하였다.

이론/모형

Fail-Stop는 단순한 시스템의 고장을 의미하고 비잔틴폴트는 악의를 지닌 노드에 의해 임의로 동작이 발생할 수 있는 상태를 말한다. Fail -Stop를 고려한 합의알고리즘은 Paxos, Raft이며 [12-14] . 비잔틴폴트를 고려한 합의알고리즘은 PBFT 이다[15] .
Fail -Stop를 고려한 합의알고리즘은 Paxos, Raft이며 [12-14] . 비잔틴폴트를 고려한 합의알고리즘은 PBFT 이다[15] . 다음 절에서 대표적인 합의 알고리즘인 PoW, PoS, Paxos, PBFT, Raft에 대한 상세 설명을 한다.

성능/효과

그림2와 같이 퍼블릭 블록체인의 대표적인 합의 알고리즘인 PoW와 프라이빗 블록체인의 대표적 합의 알고리즘인 Raft 및 PBFT를 대상으로 네트워크 신뢰성, 합의 알고리즘 실행 안정성, 초당 트랜잭션 처리량의 평가 요소로 성능을 비교한 결과 네트워크 신뢰성 측면에서는 여러 합의알고리즘이 유사한 성능을 보였으나 PBFT가 PoW대비 50% 정도 성능이 좋은 것으로 나타났으며 실행 안정성과 초당 트랜잭션 처리량의 경우 PoW대비, Raft가 10배 이상 우수하고 PBFT는 12-13 우수한 것으로 확인되었다. 해당 실험의 경우 노드 수와 트랜잭션 크기에 비례하여 PBFT의 효율성이 더욱 높아질 것으로 유추할 수 있다.
성능평가 항목을 토대로 각 합의알고리즘의 성능을 비교한 결과는 다음과 같다. 네트워크 신뢰성은 전체 노드 중 활동 빈도가 높은 노드 중 정직한 노드의 비율과 해당 비율 대비 합의 결정이 가능한 노드의 수를 기반으로 하며 대부분의 합의알고리즘에 대한 큰 편차가 발생하지 않았으나 PBFT가 다소 높게 나타났다. 초당 트랜잭션 처리 시간은 블록 생성시간과 트랜잭션의 처리시간을 기반으로 합의 가능 노드 수의 비율을 연산한 것으로 PoW 대비 Raft는 10배 정도 우수한 것으로 평가되었으며 PBFT는 더욱 효율이 우수한 것으로 평가되었다.
다양한 사용자 환경에서 제안한 성능평가 요소를 적용함으로써 효율적 합의알고리즘 선택이 가능하다.
네트워크 신뢰성은 전체 노드 중 활동 빈도가 높은 노드 중 정직한 노드의 비율과 해당 비율 대비 합의 결정이 가능한 노드의 수를 기반으로 하며 대부분의 합의알고리즘에 대한 큰 편차가 발생하지 않았으나 PBFT가 다소 높게 나타났다. 초당 트랜잭션 처리 시간은 블록 생성시간과 트랜잭션의 처리시간을 기반으로 합의 가능 노드 수의 비율을 연산한 것으로 PoW 대비 Raft는 10배 정도 우수한 것으로 평가되었으며 PBFT는 더욱 효율이 우수한 것으로 평가되었다. 합의 알고리즘 실행 안정성은 전체 노드 중 정직한 노드의 비율과 트랜잭션의 성공적 처리를 위한 스마트 컨트랙트 실행 성공률을 수식에 반영하였으며 PoW 대비 Raft는 10배 정도 우수하였으며 Raft와 PBFT는유사한 성능을 보이는 것으로 평가되었다.
초당 트랜잭션 처리 시간은 블록 생성시간과 트랜잭션의 처리시간을 기반으로 합의 가능 노드 수의 비율을 연산한 것으로 PoW 대비 Raft는 10배 정도 우수한 것으로 평가되었으며 PBFT는 더욱 효율이 우수한 것으로 평가되었다. 합의 알고리즘 실행 안정성은 전체 노드 중 정직한 노드의 비율과 트랜잭션의 성공적 처리를 위한 스마트 컨트랙트 실행 성공률을 수식에 반영하였으며 PoW 대비 Raft는 10배 정도 우수하였으며 Raft와 PBFT는유사한 성능을 보이는 것으로 평가되었다. 해당 연구를 통해 제안한 성능평가항목에 의한 합의 알고리즘 비교 결과 PBFT의 합의 과정을 반영하여 알고리즘 처리 시 네트워크 신뢰성을 보장하고 합의 알고리즘의 안정성과 경제적 효율성을 높일 수 있는 것으로 분석되었다.
합의 알고리즘 실행 안정성은 전체 노드 중 정직한 노드의 비율과 트랜잭션의 성공적 처리를 위한 스마트 컨트랙트 실행 성공률을 수식에 반영하였으며 PoW 대비 Raft는 10배 정도 우수하였으며 Raft와 PBFT는유사한 성능을 보이는 것으로 평가되었다. 해당 연구를 통해 제안한 성능평가항목에 의한 합의 알고리즘 비교 결과 PBFT의 합의 과정을 반영하여 알고리즘 처리 시 네트워크 신뢰성을 보장하고 합의 알고리즘의 안정성과 경제적 효율성을 높일 수 있는 것으로 분석되었다.

후속연구

최근 NFT를 통한 거래가 증가하고 있다. NFT는 이더리움 기반 PoW 합의 알고리즘을 주로 활용하고 있으나 그로 인한 거래비용 및 처리 시간의 비효율성에 대한 문제가 발생할 수 있으므로 안정성과 효율성 측면을 고려한 블록체인 합의 알고리즘 제시가 필요하다.
본 논문에서는 네트워크 상황에서 발생 가능한 돌발상황 등에 대해서는 고려하지 않았으나 향후 대표적 돌발 상황을 고려한 추가 연구를 진행할 예정이다.

참고문헌 (20)

Online Shopping Trends docs - Available : http://kostat.go.kr/portal/korea/eng_nw/1/12/3/index.board
Satoshi Nakamoto, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic cash System", Available at : http://bitcoin.org/bitcoin.pdf
Non-fungible tokens (NFT) web-site, Available at : https://ethereum.org/en/nft
Siho Kim, "NFT and Smart Contracts", 2021 KISA Report, Vol 7, pp.1-9, 2021.
Nonfungible Tancom web-site, Available at : http://NonFungible.com
News web-site, Available at : https://www.fnnews.com/news/202105261520512661
Ethereum Smart Contract web-site, Available at : https://ethereum.org/en/developers/docs/smart-contracts/
Youn-A Min, "A study on the Application of Distributed ID Technology based on blockchain for Welfare Blind Spot Management for details in a new window", Journal of the Korea Internet and Communications Society, Issue 6, p. 145-150, 2020. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBc.2020.20.6.145

원문보기 상세보기
Alrumaih et al., "Introducing contemporary blockchain Platforms", International Journal of computer Science & Network Security, Vol.21, No.4, pp.9-18, 2021. DOI: 10.15813/kmr.2018.19.4.007

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Youn-A Min, " A study on the performance evaluation items of the private blockchain consensus algorithm considering consensus stability", Journal of the Korea Society of computer and Information, Vol.25, No.4, pp.71-77, 2020. DOI: https://doi.org/10.9708/JKScI.2020.25.04.071

원문보기 상세보기
Zheng, Kai et al., "Model checking PBFT consensus Mechanism in Healthcare blockchain Network", International conference on Information Technology in Medicine and Education, pp.877-881, 2018. DOI: 10.1109/ITME.2018.00196
L. Lamport et al., "The Part-Time Parliament", AoM Books, pp.277-317, 2019. DOI:10.1145/3335772.3335939
Liu, Yanhong A et al., "Moderately complex Paxos Made Simple: High-Level Executable Specification of Distributed Algorithms", Proceedings of the 21st International Symposium on Principles and Practice of Declarative Programming, pp. 1-15, 2019. DOI: http://dx.doi.org/10.1145/3354166.3354180
Huang, D. et al., "performance Analysis of the Raft consensus Algorithm for Private blockchains", IEEE Transactions, Vol.50, No.1, pp.172-181, 2020. DOI: 10.1109/TSMc.2019.2895471

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Konczak, J. et al., "Recovery Algorithms for Paxos-Based State Machine Replication", IEEE Transactions, Vol. 18, No.2, pp.623-640, 2021. DOI:10.1109/TDSc.2019.2926723

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castro, Miguel et al., "Practical byzantine fault tolerance and proactive recovery", AcM Transactions on computer Systems, Vol. 20, No. 4, pp. 398-461, 2002. DOI:10.1145/571637.571640

상세보기
L. Lamport, "The Part-Time Parliament", AcM Trans, AcM transactions on computer systems, VOL.16, NO.2, pp. 133-169, 1998. https://lamport.azurewebsites.net/pubs/lamport-paxos.pdf

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Li, Yuxi et al., "An Optimized Byzantine Fault Tolerance Algorithm for consortium blockchain.", Peer-to-Peer Networking & Applications, Vol. 14, Issue 5, pp.2826-2839, 2021. DOI:10.1007/s12083-021-01103-8

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Practical Byzantine Fault Tolerance web-site, Available at : https://www.usenix.org/legacy/events/osdi99/full_papers/castro/castro_html/castro.html
Non-Fungible Token (NFT): Overview, Evaluation, Opportunities and challenges web-site, Available at : https://arxiv.org/abs/2105.07447

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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