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8 STATE-OF-THE-ART SHARDING PROTOCOLS 본문
This section summaries a comparison of the state-of-the-art blockchain sharding protocols in a more general way. We first summarize and compare several state-of-the-art blockchain sharding protocols, and then briefly discuss other protocols to deal with the scalability in blockchain.
8.1 Comparision of State-of-the-art Sharding Protocols
Table 2 provides a comprehensive comparison for the current classic blockchain sharding protocols. Instead of consider- ing the individual protocols, we map out the landscape by extracting and evaluating the high-level design themes in blockchain sharding schemes. The system designer can have a general overview on these blockchain sharding schemes. In this section, the terms committee and shard have the same meaning.
In this comparison, we mainly focus on four aspects: pro- tocol settings, intra-committee consensus, inter-committee consensus, as well as safety and their performances. Note that some properties have already been described in the pre- vious sections. The protocol settings show how the protocols set up in an overall perspective, such as committee forma- tion, network model. The intra-committee consensus shows how to achieve a consensus within a committee, and the inter-committee consensus shows how to achieve an agree- ment among different committees. Finally, we compare their safety aspects and the achieved performance.
In this comparison, we mainly focus on four aspects: pro- tocol settings, intra-committee consensus, inter-committee consensus, as well as safety and their performances. Note that some properties have already been described in the pre- vious sections. The protocol settings show how the protocols set up in an overall perspective, such as committee forma- tion, network model. The intra-committee consensus shows how to achieve a consensus within a committee, and the inter-committee consensus shows how to achieve an agree- ment among different committees. Finally, we compare their safety aspects and the achieved performance.
1) Protocol Settings
Protocol Settings: Committee formation refers to the cri- teria used to allow nodes to join a committee, which describes the mechanisms to establish the membership, e.g., member- ship based on PoW or PoS. This is an important aspect of decentralized and permissionless systems to thwart Sybil attacks. However, for permissioned blockchain, e.g., RSCoin, we do not need to deal with Sybil attacks, since permissioned systems operate in a relatively trust environment where the participating nodes are granted committee membership based on these organizational policy. Consistency shows the likelihood that the system will reach a consensus on the proposed value, typically, it can be either strong or weak. In general, classic BFT protocols offer strong consistency, but are subject to the scalability issue. Network Model shows the synchrony of the underlying communication network. Typi- cally, the communication networks can be categorized into three types: strongly synchronous, partially synchronous, and asynchronous.
2) Intra-Committee Consensus
Intra-Committee Consensus: Committee Configuration represents how the committee members are assigned to the committee in a single committee setting, e.g., either the mem- bers serve on the committee permanently (static) or they are changed at regular intervals (rolling or swap) for the epoch- based protocols. Incentives show the mechanisms that keep participating nodes motivated to participate in the consensus process and follow its rules. We distinguish the incentives in two aspects: one is the join process, and the other is the participating process. Leader indicates, within a specific com- mittee, where the leader comes from. It can be either elected among the current committee (internally), externally, or flexi- ble (e.g., through the specified smart contracts). For the listed schemes, all leaders come internally from its committee mem- bers. Msg. Complexity shows the communication complexity within one committee at the message level, where n refers to the number of participating nodes.
3) Inter-Committee Consensus
Inter-Committee Consensus: Inter-committee configu- ration shows how the members are assigned to the commit- tees in a multiple-committee setting, which can be either static or dynamic. A dynamic approach is typically based on the randomness generated from the previous epoch. Mediated indicates how to mediate the cross-sharding transactions. It can be optionally mediated by an external resource, e.g., the client. Incentives indicates, for mediators, whether they will get some rewards for their mediation efforts.
4) Safety and Performance
Safety and Performance: For safety, we focus on the resistance against an adversary. TX Censorship Resistance shows the system’s resilience to the proposed transactions being suppressed (i.e., censored) by malicious nodes involved in consensus process. DoS Resistance represents the resilience of the nodes involved in consensus to Denial-of-service (DoS) attacks. If the participants of the consensus protocol are known in advance, an adversary may launch a DoS attack against them. Adversary Model represents the fraction of malicious or faulty nodes that the consensus protocol can tolerate (e.g., the protocol still works correctly despite the presence of such nodes). Note that for different adversary models, it might have different resistance rates. In this com- parison, the adversary models are all based on the Byzantine setting. For performance, we target at analyzing its through- out, latency and scalability. Throughput is the maximum rate at which transactions can be agreed upon by the consensus protocol; latency represents the time it takes from when a transaction is proposed until consensus has been reached on it. Scalability shows if the system has the ability to achieve greater throughput when consensus involves a larger num- ber of nodes. All the listed schemes in Table 2 can scale.
8 STATE-OF-THE-ART SHARDING PROTOCOLS
이 섹션에서는 최신 블록체인 샤딩 프로토콜의 비교를 보다 일반적인 방식으로 요약한다.
8.1 Comparision of State-of-the-art Sharding Protocols
Table 2는 현재의 블록체인 샤딩 프로토콜에 대한 비교를 보여준다.
이 섹션에서 위원회(Committee)와 샤드(Shard)라는 용어는 동일한 의미를 갖는다.
이 비교에서는 네 가지 측면에 중점을 둔다. 프로토콜 설정, 위원회 내 합의, 위원회 간 합의, 안전성 및 성능이다.
네 가지 측면
- **프로토콜 설정(Protocol Settings) :** 위원회 구성, 네트워크 모델과 같은 전반적인 관점에서 프로토콜이 어떻게 설정되는지 보여준다.
- 위원회 내 합의 : 위원회 내에서 합의에 도달하는 방법을 보여준다.
- 위원회 간 합의 : 서로 다른 위원회 간에 합의에 도달하는 방법을 보여준다.
- 안전성 및 성능 : 안전성 측면과 달성된 성능을 비교한다.
1) 프로토콜 설정(Protocol Settings)
프로토콜 설정(Protocol Settings)은 크게 [프로토콜 설정, 일관성, 네트워크 모델] 로 나눌 수 있다.
프로토콜 설정
- 위원회 구성:
- 노드가 위원회에 참여할 수 있도록 하는 기준을 의미하며, 회원 자격을 설정하는 메커니즘을 설명한다. 예를 들어 PoW 또는 PoS 기반의 회원 자격이다.
- 이는 분산형 및 허가되지 않은 시스템에서 Sybil 공격을 방지하기 위한 중요한 측면
- 허가된 블록체인(예: RSCoin)의 경우 Sybil 공격을 처리할 필요가 없다. (이미 멤버쉽이 되어있기 때문에)
- 노드가 위원회에 참여할 수 있도록 하는 기준을 의미하며, 회원 자격을 설정하는 메커니즘을 설명한다. 예를 들어 PoW 또는 PoS 기반의 회원 자격이다.
일관성
- 시스템이 제안된 값에 대한 합의에 도달할 가능성을 나타낸다. 일반적으로 강하거나 약할 수 있다.
- 일반적인 BFT 프로토콜은 강한 일관성을 제공하지만 확장성 문제에 영향을 받는다.
네트워크 모델
- 기본 통신 네트워크의 동기화 상태를 나타낸다. 일반적으로 통신 네트워크는 세 가지 유형으로 분류될 수 있다.
- 강력한 동기식
- 모든 메시지가 네트워크의 한 노드에서 다른 노드로 이동하는 데 최대 Δ(델타) 시간 단위가 걸리는 알려진 고정된 한계(Δ)가 있는 네트워크.
쉽게 해석
네트워크의 모든 노드는 서로 연결되어 있고, 메시지가 한 노드에서 다른 노드로 이동하는 데 걸리는 시간은 최대 Δ 시간
- 예를 들어, Δ가 10이라고 하면, 메시지가 네트워크의 한 노드에서 다른 노드로 이동하는 데 최대 10초가 걸린다는 것을 의미한다.
- 특징 : 보안 및 확장성 측면에서 우수하지만, 구축 및 유지 관리가 복잡.
- 강력한 동기식 블록체인 : 비트코인, 이더리움(PoW), Hyperledger Fabric
- 모든 메시지가 네트워크의 한 노드에서 다른 노드로 이동하는 데 최대 Δ(델타) 시간 단위가 걸리는 알려진 고정된 한계(Δ)가 있는 네트워크.
- 부분 동기식
- 네트워크 지연에 고정된 한계 δ가 존재하고 다음 조건 중 하나가 충족된 네트워크.
- 1) δ는 항상 유지되지만 알 수 없거나,
- 네트워크의 지연은 항상 존재하지만 노드들은 그것을 알 수 없다.
- 2) δ는 알 수 있지만 알 수 없는 시간에만 시작.
- 네트워크의 지연은 알 수 있지만, 노드들은 그것이 언제 시작될지 모른다.
- 쉽게 해석
- 네트워크의 지연은 데이터가 한 노드에서 다른 노드로 이동하는 데 걸리는 시간을 말한다.
- 네트워크의 지연에 고정된 한계 δ(델타)가 존재한다는 것은 데이터가 한 노드에서 다른 노드로 이동하는 데 걸리는 시간이 항상 δ와 같음을 의미한다.
- 1) δ는 항상 유지되지만 알 수 없거나,
- 특징 : 부분적으로 동기화된 네트워크는 강력하게 동기화된 네트워크보다 안전하진 않지만, 구축 및 유지 관리가 더 쉽다.
- 부분 동기식 블록체인 : Cosmos, Solana, Algorand, Cardano, Tezos, Polkadot.
- 네트워크 지연에 고정된 한계 δ가 존재하고 다음 조건 중 하나가 충족된 네트워크.
- 비동기식
- 네트워크 지연에 상한이 없는 네트워크.
- 한 노드에서 다른 노드로 이동하는데 걸리는 시간에 제한이 없는 네트워크.
- 특징 : 실시간 응용 프로그램에는 적합하지 않지만, 네트워크 지연이 심한 네트워크에서 작동할 수 있다.
비동기식 블록체인 : Avalanche, Solana & Tezos(부분적으로 비동기식)
❗챗GPT는 “비동기식 블록체인”이 없다고 했지만, 바드(Bard)가 너무 확고하게 “챗GPT가 “비동기식 블록체인”이 없다고 말한 경우 이는 정확하지 않을 수 있지만, 분명히 존재한다.” 했음…
- 네트워크 지연에 상한이 없는 네트워크.
- 강력한 동기식
2) 위원회 내 합의(Intra-Committee Consensus)
위원회 구성
- 위원회 구성은 단일 위원회 설정에서 위원회 구성원이 위원회에 어떻게 할당되는지 나타낸다.
인센티브
참여 노드가 합의 프로세스에 참여하고 규칙을 준수하도록 동기를 부여하는 메커니즘이다. 이 인센티브는 두 가지로 구분된다.
- 가입 프로세스
- 참여 프로세스
리더
위원회의 리더를 결정하는 방법이다.
현재 위원회 내에서 선출될 수 있습니다(내부적으로), 외부적으로, 또는 유연하게(예: 지정된 스마트 계약을 통해). 나열된 방식의 경우 모든 리더는 위원회 구성원 중에서 내부적으로 생성
메세지 복잡성(Msg Complexity)
메세지 복잡성은 위원회 내에서 메시지를 주고받는 데 필요한 비용을 나타낸다.
- 참여 노드의 수인 n을 기준으로 한 메시지 수준에서 한 위원회 내의 통신 복잡성을 보여준다.
3) 위원회 간 합의(Inter-Committee Consensus)
위원회 간 구성: 위원회 간 합의에 참여하는 노드의 구성을 결정하는 방법
정적 또는 동적으로 할당할 수 있다.
예) 동적 접근 방식
- 일반적으로 이전 epoch에서 생성된 무작위성을 기반으로 한다.
중재: 크로스 샤딩 트랜잭션을 중재하는 방법
중재는 크로스 샤딩 트랜잭션을 중재하는 방법을 나타낸다. 이는 선택적으로 외부 리소스(예: 클라이언트)에 의해 중재될 수 있다.
인센티브: 중재자에게 보상이 제공될지 여부
이러한 중재자에게 중재 노력에 대한 보상이 제공될지 여부를 나타낸다.
4) 안전성 및 성능(Safety and Performance)
안전성
안전성 측면에서는 공격자에 대한 저항에 집중한다.
- TX 검열 저항: 악의적인 노드가 합의 프로세스에 참여하여 제안된 트랜잭션을 억제하는 것을 방지하는 시스템의 능력
- DoS 저항: 악의적인 노드가 합의 프로세스에 참여하는 노드에 대한 서비스 거부 공격을 수행하는 것을 방지하는 시스템의 능력
- 만약 합의 프로토콜의 참여자들이 사전에 알려져 있다면, 공격자는 그들에 대한 DoS 공격을 시작할 수 있다.
- 공격자 모델: 합의 프로토콜이 허용할 수 있는 악의적이거나 고장난 노드의 비율
- 이 비교에서 공격자 모델은 모두 비잔틴 설정에 기반한다.
성능
- 처리량: 합의 프로토콜이 합의할 수 있는 트랜잭션의 최대 속도
- 지연: 트랜잭션이 제안된 시점부터 합의에 도달하는 데 걸리는 시간
- 확장성: 시스템이 더 많은 노드가 합의에 참여할 때 더 큰 처리량을 달성할 수 있는지 여부
다음에 계속…