ODYSSEY: Reestablishing Confidentiality in Confidential Blockchain via Delegated Execution

고도의 긴장감이 흐르는 포커 게임이 비즈니스 파트너들 사이에서 벌어지고 있다고 상상해 보십시오. 그들은 서로의 카드와 베팅 전략을 비밀로 유지하고 싶지만, 동시에 게임이 공정하게 진행되고 있는지, 그리고 누군가 카드를 훔쳐보거나 시간을 되돌려 베팅을 바꾸는 등의 부정행위를 하지 않는지 신뢰할 수 있어야 합니다.

이것이 바로 ODYSSEY가 "컨피덴셜 블록체인(Confidential Blockchains)"을 위해 해결하고자 하는 문제입니다.

다음은 이 논문의 내용을 일상적인 비유를 사용하여 쉽게 풀어낸 설명입니다.

문제점: 유리 집과 타임머신

논문은 현재의 "컨피덴셜 블록체인"(데이터가 숨겨진 블록체인)이 TEE(Trusted Execution Environments, 신뢰 실행 환경)라고 불리는 특수하고 안전한 컴퓨터 칩 내부에서 구축되어 있다는 점을 설명하며 시작합니다. TEE를 유리 집이라고 생각해 보십시오.

1. 유리 집의 유출 (실행-추론 공격 / Execution-Inference Attack):
유리 집이 내부의 내용물은 보호할지라도, 외부의 스파이는 여전히 창문을 통해 엿볼 수 있습니다. 스파이가 카드를 직접 볼 수는 없지만, 플레이어들이 어떻게 움직이는지는 관찰할 수 있습니다.

• 비유: 만약 어떤 플레이어가 좋은 패를 잡을 때마다 갑자기 일어나서 왔다 갔다 한다면, 스파이는 카드를 직접 보지 않고도 그 전략을 알아낼 수 있습니다. 논문에서는 해커들이 비밀 데이터를 처리하는 과정(메모리 사용량 및 CPU 열기)을 관찰하여 정보를 유추한다고 설명합니다.
• 결과: 스파이가 플레이어보다 더 많은 것을 알게 되므로 게임은 불공정해집니다.

2. 타임머신의 유출 (실행-재생 공격 / Execution-Replay Attack):
유리 집에는 "게임 저장" 버튼이 없어 되감기를 방지하지 못합니다.

• 비유: 한 명의 치터(부정행위자)가 한 판을 플레이하고 결과를 확인한 뒤, 결과가 마음에 들지 않으면 "되감기"를 눌러 시작 지점으로 돌아가 다른 수를 시도합니다. 그는 완벽한 수를 찾아내어 승리를 보장할 때까지 계속해서 되감기를 반복합니다.
• 결과: 치터가 최선의 결과를 얻을 때까지 가능한 모든 결과를 시도해 볼 수 있으므로 게임은 조작됩니다.

해결책: ODYSSEY

저자들은 이 두 가지 유출 문제를 해결하기 위해 ODYSSEY라는 새로운 시스템을 구축했습니다. 그들은 유리 집을 불투명하게 만들려고 노력하는 대신(이는 어렵고 느린 작업입니다), 누가 게임을 플레이할지를 변경했습니다.

1. "신뢰할 수 있는 대리인" 전략 (유리 집 문제 해결)

모든 플레이어가 서로의 움직임을 지켜보는 대신, 이 시스템은 **위임된 실행(Delegated Execution)**을 사용합니다.

• 비유: 당신에게 신뢰할 수 있는 친구(대리인)가 있다고 상상해 보십시오. 당신은 친구에게 카드를 건네주고, 오직 그 친구만이 카드를 보고 움직임을 결정합니다. 테이블의 다른 플레이어들은 카드를 보거나 친구의 손동작을 관찰할 수 없으며, 오직 최종 결과(예: "100달러 베팅")만을 보게 됩니다.
• 작동 방식: 당신은 자신의 비밀 트랜잭션을 처리할 특정 노드(컴퓨터)를 지정합니다. 해당 노드는 보안 칩 내부에서 작업을 수행합니다. 다른 노드들은 그저 결과가 나오기를 기다릴 뿐입니다. 다른 노드들은 비밀 데이터나 처리 과정을 절대 볼 수 없으므로, "스파이"는 프로세스를 관찰함으로써 아무것도 알아낼 수 없습니다.

2. "선(先) 순서 결정" 규칙 (타임머신 문제 해결)

재생 공격을 막기 위해, ODYSSEY는 순서 결정 후 실행(Order-Then-Execute) 아키텍처를 사용합니다.

• 비유: 일반적인 게임에서는 어떤 수를 두고 나서 결과를 본 뒤, 그 수를 유지할지 결정할 수 있습니다. 하지만 ODYSSEY에서는 심판이 먼저 움직임의 순서를 적어 책에 기록하고 이를 고정합니다. 일단 순서가 고정되면, 플레이어들은 기록된 대로 정확히 실행해야 합니다. 순서를 바꾸거나 다른 수를 시도하기 위해 되감을 수 없습니다.
• 작동 방식: 시스템은 아무도 처리를 시작하기 전에 트랜잭션 목록에 먼저 합의합니다. 목록이 고정되면, 아무도 다른 결과를 보기 위해 컴퓨터를 "되감기" 할 수 없습니다. 결과는 최종적입니다.

장애물과 이를 뛰어넘는 ODYSSEYS의 방법

저자들은 "신뢰할 수 있는 대리인"을 두는 것이 새로운 문제, 즉 교통 체증을 유발할 수 있음을 인정합니다. 만약 모든 사람이 자신의 카드를 한 명의 친구에게 보낸다면, 그 친구는 과부하 상태가 되어 게임이 느려질 것입니다. 또한, 그 친구가 플레이를 거부하는 경우("위임 거부" 공격)는 어떻게 될까요?

ODYSSEYS는 게임을 빠르고 원활하게 유지하기 위해 두 가지 영리한 기능을 추가했습니다.

1. 위치 인식 병렬 실행 (교통 경찰):

• 비유: 한 사람이 모든 일을 하는 대신, 시스템은 카드 덱을 더 작은 더미로 나눕니다. 그리고 가장 가깝거나 필요한 카드가 무엇인지에 따라 서로 다른 신뢰할 수 있는 친구들에게 각 더미를 배정합니다. 이는 마치 주방에서 셰프가 혼자 모든 채소를 다 써는 것이 아니라, 양파는 한 사람에게, 당근은 다른 사람에게 맡기되, 레시피가 요구하는 대로 양파가 먼저 썰려야 한다는 순서를 지키며 조리하는 것과 같습니다.
• 결과: 여러 작업이 순서를 어기지 않으면서 동시에 발생하여 시스템의 속도를 유지합니다.

2. 위임 실패 핸들러 (백업 플랜):

• 비유: 당신의 신뢰할 수 있는 친구가 갑자기 잠들거나 플레이를 거부한다면, 게임이 영원히 멈춰서는 안 됩니다. ODYSSEY에는 타이머가 있습니다. 만약 친구가 충분히 빨리 움직이지 않는다면, 시스템은 자동으로 "좋아, 일단 이 수는 건너뛰고 다음으로 넘어가자"라고 판단하여 게임이 계속 진행되도록 합니다.
• 결과: 일부 참여자가 게으르거나 악의적이더라도 시스템은 계속 작동합니다.

결과: 성공했는가?

팀은 실제 블록체인 플랫폼인 FISCO BCOS를 사용하여 ODYSSEY 프로토타입을 제작했습니다. 그들은 두 가지 환경, 즉 빠른 로컬 네트워크(LAN)와 인터넷과 같은 느린 광역 네트워크(WAN)에서 테스트를 진행했습니다.

• 결론: ODYSSEY는 표준적인 비공개형 블록체인보다는 약간 느립니다(보안에는 항상 약간의 속도 저하가 따릅니다). 하지만 비밀 시스템 중에서는 매우 빠릅니다.
• 수치: 3개의 노드가 있는 광역 네트워크(WAN)에서, ODYSSEY는 약 **4,000 TPS(초당 트랜잭션 수)**를 처리할 수 있었으며, 지연 시간은 0.4~0.5초에 불과했습니다.

요약

ODYSSEY는 비밀 블록체인을 운영하는 새로운 방법입니다. "유리 집"을 보이지 않게 만드는 대신(이는 매우 어렵습니다), 신뢰할 수 있는 대리인을 사용하여 내부를 볼 수 있는 사람을 제한합니다. 또한, 누구도 시간을 되돌려 속임수를 쓰지 못하도록 사건의 순서를 고정합니다. 이 시스템은 기존 시스템의 보안 유출 문제를 해결하면서도, 실제 비즈니스 활용이 가능할 만큼 높은 속도를 유지합니다.