기술 요약: WONDERBOOM

문제 정의

이더리움은 6,500 억 달러 이상의 자산을 보호하는 중요한 글로벌 금융 인프라로 발전했으나, 현재 합의 메커니즘은 검증자 집단의 규모 (100 만 명에 근접) 로 인해 상당한 확장성 및 보안 병목 현상에 직면해 있습니다. 확인된 주요 제한 사항은 다음과 같습니다:

1. 느린 최종성 (Finality): 현재 프로토콜은 블록을 최종 확정하는 데 약 15 분이 소요됩니다. 이 지연은 수백만 명의 검증자에 걸쳐 서명을 집계하고 검증하는 데 드는 높은 계산 및 대역폭 비용에서 비롯됩니다. 현재 설계는 검증자를 위원회로 분할하고 여러 에포크 (에포크당 32 슬롯) 에 걸친 계층적 트리 집계 프로토콜을 사용하며, 최종성을 위해 두 개의 연속된 에포크가 필요합니다.
2. 검열 취약성: 기존 집계 프로토콜은 이해관계 분포를 정직한 노드에서 적대적 노드로 이동시킬 수 있는 검열 공격에 취약합니다.
   • 제안자 검열: 적대자들은 피어투피어 (gossip) 네트워크를 통해 제안자의 신원을 드러내어 그들의 블록을 검열할 수 있으며, 이로 인해 정직한 검증자들의 보상이 손실됩니다.
   • 투표 검열: 현재 프로토콜은 위원회 대표에 의존합니다. 해당 논문은 위원회가 단 한 명도 정직한 대표를 포함하지 않을 (선택된 16 명의 대표가 모두 비잔틴일) 확률이 이전에 계산된 지표가 시사한 것보다 훨씬 높다고 주장합니다. 이는 적대자들이 투표를 검열할 수 있게 하여, 연간 약 1 억 달러 이상의 집계 보상 손실로 이어집니다.
   • 비효율적인 집계: 메시지 전파를 위해 피어투피어 네트워크에 의존하는 것은 내재적인 지연 (약 4 초 만에 노드의 98% 에 도달) 을 초래하여, 단일 12 초 슬롯 내에서 구축할 수 있는 집계 트리의 깊이를 제한합니다.

방법론

저자들은 단일 이더리움 슬롯 (12 초) 내에서 모든 $N$명의 검증자로부터 서명을 집계하고, 두 슬롯 최종성 (약 24 초) 을 가능하게 하도록 설계된 트리 기반 서명 집계 프로토콜인 WONDERBOOM을 제안합니다. 이 방법론은 세 가지 핵심 아키텍처 및 알고리즘 혁신에 의존합니다:

1. 아키텍처 분리 (검증자 vs 제안자)

제안자 검열 및 신원 노출을 완화하기 위해 WONDERBOOM 은 검증자 프로세스와 제안자 프로세스를 물리적으로 분리하여 서로 다른 IP 주소를 할당합니다.

• 검증자 프로세스: 집계를 위해 다른 검증자와 포인트투포인트 (P2P) 채널을 통해 통신합니다. 이는 합의 트래픽의 대부분에 대해 지연 시간이 긴 피어투피어 네트워크를 우회합니다.
• 제안자 프로세스: 블록 브로드캐스팅 및 최종 집계 수신 시에만 피어투피어 네트워크와 상호작용합니다. 이러한 상호작용의 빈도가 낮기 때문에 신원 노출이 훨씬 어려워집니다.

2. 무작위 선택을 통한 심층 트리 집계

WONDERBOOM 은 모든 노드가 128 명의 검증자 (16 명의 무작위 대표 포함) 로 구성된 위원회를 나타내는 심층 집계 트리를 구축합니다.

• 구조: 이더리움의 얕은 트리와 달리 WONDERBOOM 은 매 슬롯마다 모든 $N$개의 서명을 집계합니다.
• 검열 완화 규칙: 악의적 집계자가 항상 (잠재적으로 검열된) 가장 큰 집계를 전달하는 것을 방지하기 위해, 프로토콜은 가장 큰 집계를 자식 위원회 중 하나에서 선택된 균일 무작위 집계와 결합하도록 의무화합니다. 이는 악의적 노드가 가장 큰 집계를 통제하더라도 정직한 투표가 포함될 확률이 0 이 아니도록 보장합니다.

3. 보상 할당 및 검열 복원력

이 논문은 $k$개의 연속된 슬롯 동안 검증자가 검열되지 않을 확률로 정의된 투표 검열 복원력 ($\alpha$-복원력) 의 공식적 정의를 도입합니다.

• 윈도우형 보상: 검증자는 해당 윈도우 내에서 한 번이라도 투표가 포함되면 $k$슬롯 윈도우에 대한 보상을 받습니다. 이는 슬롯당 포함 확률 요구 사항을 낮추면서도 장기적인 이해관계 편향을 방지합니다.
• 공개키 최적화: 이더리움의 높은 참여율 (>99%) 을 활용하여, 프로토콜은 모든 공개키의 집계를 캐시하고 누락된 키를 제거하기 위해 BLS 서명 뺄셈을 사용하여 공개키 집계 비용을 최대 99% 까지 줄입니다.

주요 기여

1. WONDERBOOM 프로토콜: 단일 슬롯에서 수백만 개의 서명을 효율적으로 집계할 수 있으며, 최신 이더리움 프로토콜보다 강력한 검열 복원력 보장을 제공하는 최초의 집계 프로토콜입니다.
2. 검열에 대한 이론적 분석: 현재 이더리움 프로토콜의 투표 검열 복원력이 과대평가되었음을 보여주는 엄격한 분석입니다. 해당 논문은 WONDERBOOM 이 훨씬 작은 보안 매개변수 $k$ (예: WONDERBOOM 의 $k=64$ 대 이더리움의 동등한 복원력을 위해 필요한 $k=192$) 로 동등하거나 더 우수한 복원력을 달성함을 입증합니다.
3. 시뮬레이션 프레임워크: 최대 100 만 검증자 규모에서 비잔틴 내성 서명 집계를 모델링할 수 있는 최초의 시뮬레이션 도구 개발 (최악의 시나리오인 $N/3$개의 결함 노드 포함).
4. 성능 평가: 포인트투포인트 통신이 사용될 경우 레거시 하드웨어에서 단일 슬롯 내에 최대 250 만 개의 노드에 대한 서명을 집계할 수 있음을 보여주는 경험적 증거.

결과

저자들은 100ms 네트워크 지연을 가진 최대 250 만 개의 노드를 시뮬레이션하는 시스템에서 WONDERBOOM 을 평가했습니다.

• 지연 시간 및 확장성:
  • 현재 이더리움 검증자 집단 (약 100 만 명) 의 경우, WONDERBOOM 은 4 개의 CPU 코어만 사용하여 4 초 미만으로 모든 서명을 집계합니다.
  • 200 만 개의 노드의 경우, 8 개의 코어로 집계 시간이 4 초 미만으로 유지됩니다.
  • 250 만 개의 노드에서도 프로토콜은 실행 가능하지만, 최악의 시나리오에서는 4 초 예산을 약간 초과합니다.
• 이더리움과의 비교:
  • 둘 다 포인트투포인트 채널을 사용할 때 WONDERBOOM 은 현재 이더리움 집계 프로토콜보다 약 3 배 빠릅니다.
  • 현재 이더리움이 피어투피어 네트워크에 의존하는 것 (약 4 초의 지연 추가) 을 고려할 때, WONDERBOOM 은 실제로 32 배 이상 빠릅니다.
• 검열 복원력:
  • 점진적으로 적응하는 적대자 하에서 WONDERBOOM 은 두 에포크 ($k=64$) 동안 어떤 노드도 지속적으로 검열되지 않을 확률이 99.8% 입니다.
  • 반면, 현재 이더리움 설계는 동일한 조건 하에서 88.9% 확률만 보장하며, WONDERBOOM 의 복원력과 일치하려면 6 에포크 윈도우가 필요합니다.

중요성

이 논문은 WONDERBOOM 이 빠른 최종성과 강력한 포함 보장이 100 만 검증자 합의와 양립 가능함을 입증한다고 주장합니다.

• 탈중앙화 유지: 검증자 집단을 축소하거나 슈퍼 위원회를 사용하는 방식 (경제적 보안을 훼손함) 과 달리, WONDERBOOM 은 모든 검증자로부터 서명을 집계하여 네트워크의 전체 경제적 보안을 유지합니다.
• 경제적 보안: 투표 검열을 완화함으로써 프로토콜은 이해관계가 정직한 노드에서 적대적 노드로 체계적으로 재분배되는 것을 방지하며, 이는 장기적인 네트워크 안전을 위한 결정적 요소입니다.
• 실용적 배포 가능성: 이 프로토콜은 모듈식으로 설계되어 표준 암호화 원시 (BLS 서명) 와 기존 하드웨어 기능을 활용하여 최소한의 변경으로 이더리움과 같은 기존 시스템에 통합될 수 있습니다.

저자들은 완전히 적응하는 적대자가 단일 제안자 프로토콜에 대한 이론적 과제로 남아 있지만, WONDERBOOM 은 점진적으로 적응하는 적대자에 대한 강력한 해결책을 제공하며, 이더리움이 규모에 따라 단일 슬롯 최종성을 달성하는 것을 방해하는 주요 병목 현상을 해결한다고 결론지었습니다.