대중 과학: 블록체인 및 분산 시스템

편집자 주: 이 기사의 출처는등련공동체, 승인을 받아 Odaily에서 재인쇄했습니다.

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블록체인 기술의 인기는 전통적인 분산 기술의 발전을 촉진했습니다. 블록체인 기술의 본질이라는 관점에서 볼 때 기본적으로 기존 분산 시스템 및 암호화의 핵심 기술과 분리할 수 없습니다. 그렇다면 블록체인 기술은 정말 공부할 가치가 있을까요? 블록체인이 우리를 선택했습니까, 아니면 우리가 블록체인을 선택했습니까? 이 기사는 분산 시스템 연구자의 관점에서 블록체인을 이해합니다.

사람들은 종종 블록체인을 분산 데이터베이스 또는 분산 원장으로 생각하는데 이는 부정확하고 혼란스럽습니다. 우리가 자주 보는 분산 데이터베이스와 비교할 때 블록체인에는 합의 알고리즘과 체인 구조라는 두 가지 주요 차이점이 있습니다. 이 둘은 서로를 보완하고 함께 블록체인의 고유성을 구성합니다.

보조 제목

합의 알고리즘

• 분산 데이터베이스에서 채택한 합의 알고리즘은 일반적으로 Paxos에서 파생된 일련의 알고리즘을 기반으로 합니다. 이러한 알고리즘의 보안은 중앙 집중화, 즉 모든 노드가 신뢰할 수 있는 센터에서 관리된다는 가정에 의존합니다. 이 가정 하에서 모든 노드는 "정직"한 것으로 간주됩니다. 즉, 모든 노드는 메시지를 전달하기 위해 최선을 다하며 메시지는 변조되지 않습니다. 소수의 노드가 다운되거나 연결이 끊어져도 프로토콜의 보안에는 영향을 미치지 않습니다.

• 그러나 블록체인의 합의 알고리즘은 중앙 집중화를 가정하지 않으며 각 노드는 독립적인 동작을 하는 것으로 간주할 수 있으며 이는 블록체인의 "탈중앙화"의 기원이기도 합니다. 이 프로토콜은 일부 노드(일반적으로 1/3 미만)가 비잔틴 노드가 되도록 허용하며, 원하는 대로 프로토콜을 따르거나 위반하거나 임의의 메시지를 보내거나 다운된 척할 수 있습니다. 비잔틴 노드는 공격자가 완전히 제어하는 ​​노드이거나 자체 소프트웨어에 심각한 버그가 있는 노드일 수 있습니다. 이러한 유형의 알고리즘을 비잔틴 내결함성 알고리즘(Byzantine fault-tolerant algorithm) 또는 줄여서 BFT라고 합니다. 블록체인 합의 알고리즘의 내결함성이 기존 분산 데이터베이스보다 훨씬 높기 때문에 효율성이 떨어지는 경우가 많습니다.

• BFT 합의 알고리즘에 대한 연구는 오래전부터 시작되었으며 가장 영향력 있는 것은 1999년 OSDI에서 Turing Award 수상자인 Barbara가 제안한 PBFT(Practical BFT)이다[1]. 그러나 알고리즘의 복잡도가 높아 대규모 배포가 어렵다. 또한 이러한 유형의 알고리즘은 각 노드의 신원을 알아야 합니다. 즉, 프로토콜이 초기화되거나 새 노드가 합류할 때 노드가 서로의 신원을 인증합니다. 위와 같은 이유로 전통적인 BFT 프로토콜에 대한 연구는 2010년까지 큰 진전을 이루지 못했다.

자원 소모가 큽니다. 네트워크에 참여하는 채굴자들은 막대한 하드웨어 및 전기 비용을 지불해야 합니다.

매우 낮은 성능. 비트코인 네트워크는 초당 약 7개의 트랜잭션을 처리할 수 있으며 각 블록의 평균 생성 시간은 약 10분입니다.

거래 불확실성. 비트코인 네트워크에서 블록이 확인되더라도 블록체인의 포크 가능성으로 인해 블록이 다시 작성될 위험이 있습니다. 블록이 확인될 때까지 여러 번(예: 6번) 기다린 후에야 이 블록이 다시 작성되는 위험을 충분히 줄일 수 있습니다. 이것은 또한 거래가 확인되는 대기 시간을 더욱 증가시킵니다.
위의 비용을 줄이기 위해 많은 연구자들이 눈부신 노력을 기울였습니다. 예를 들어, 합의 알고리즘의 성능을 향상시키기 위해 Cornell University의 연구원들은 2016년 NDSI에서 Bitcoin-NG[2]를 제안했습니다. MIT와 Stanford의 연구원들은 비트코인을 더욱 확장하기 위해 2019년 CCS에서 Prism[3]을 제안했습니다. 또한 자원 소모를 줄이기 위해 MIT 연구진은 2017년 SOSP에서 지분증명 기반 알고랜드를 제안해 채굴 소모를 없앴다.

보조 제목

사슬 구조
블록체인이 가져온 또 다른 혁신은 체인 구조입니다. 각 블록은 해시를 통해 이전 블록과 연결되어 초기 블록으로 돌아가 무한 체인을 형성합니다. 이 구조의 장점 중 하나는 노드가 블록을 확인할 때 해당 블록이 위치한 체인의 모든 이전 블록이 동시에 확인된다는 것입니다. 이 체인 구조를 기반으로 블록체인에서 "가장 긴 체인" 원칙을 채택하여 새 블록을 릴리스하기 쉽습니다. 예를 들어 비트코인에서는 네트워크 문제와 악의적인 공격으로 인해 채굴자가 여러 체인을 볼 수 있지만 채굴자는 항상 가장 긴 체인에서 채굴하는 경향이 있습니다.

마이닝 중간에 자신이 있는 체인보다 더 긴 체인을 발견하더라도 더 긴 체인으로 전환해야 합니다. "가장 긴 체인" 원칙은 반드시 의무 사항은 아니며 프로토콜 보안에 심각한 영향을 미치지는 않지만 모든 채굴자가 이 원칙을 준수할 때 각 채굴자는 최대의 이익을 기대할 수 있습니다. 물론 예외도 있는데, 채굴자가 상대적으로 많은 자원(50% 미만)을 점유하는 경우 '가장 긴 체인' 원칙을 위반하고 더 높은 수익을 추구하는 '셀프 마이닝'(selfish mining)[4] 전략을 채택할 수 있다. .

블록체인의 체인 구조는 전통적인 BFT를 연구하는 연구자들에게도 큰 영감을 주었고 블록체인에 맞는 많은 BFT 프로토콜이 등장하기 시작했습니다. 그중 가장 유명한 것은 Facebook이 채택한 LibraBFT[5] 합의 프로토콜입니다. LibraBFT는 VMware의 연구원들이 제안한 HotStuff[6]를 기반으로 합니다. HotSutff는 블록체인의 체인 구조를 채택하여 수백 개의 노드가 있는 네트워크에 프로토콜을 배포할 수 있도록 하여 기존 BFT의 성능을 향상시킵니다. 이 사슬 구조의 마법에 대해 간단히 설명하겠습니다.

HotStuff는 이 문제를 해결하기 위해 PBFT 기반의 체인 구조를 도입합니다. 위에서 언급한 체인 구조의 특성으로 인해 블록에 대한 노드의 투표는 실제로 이 블록이 위치한 체인의 모든 이전 블록에 대한 투표입니다. 따라서 연결된 HotStuff는 다양한 투표 단계를 줄이고 통합된 Propose-Vote 형식만 유지합니다. 이는 아래 그림에 나와 있습니다(출처 [6]).

요약하다

HotStuff는 프로토콜의 보안을 보장하기 위해 체인 구조의 특성을 활용하여 투표 규칙과 블록 확인 규칙(커밋 규칙)을 지정합니다. 체인 구조는 BFT 프로토콜을 간단하고 우아하게 만들고 파이프라인 작업을 잘 수행할 수 있어 프로토콜의 성능을 향상시키고 상태 공간을 크게 줄입니다.