다중제안자 DAG 기반 공정 거래 정렬 프레임워크

초록

본 논문은 기존 리더 기반 합의 프로토콜이 갖는 처리량 병목과 블록 제안자의 주문 조작 문제를 해결하기 위해, 다중 제안자가 동시에 블록을 생성하는 DAG 기반 합의 위에 공정성 프로토콜을 올리는 FairDAG 프레임워크를 제안한다. 절대 순서선형성(AB)과 상대 배치‑공정성(RL) 두 가지 변형을 설계하고, 이론적 분석 및 실험을 통해 기존 Pompe와 Themis 대비 높은 처리량과 향상된 공정성을 입증한다.

상세 분석

FairDAG은 블록체인에서 거래 순서 조작, 즉 MEV(최대 추출 가능 가치) 공격을 방지하기 위한 새로운 설계 패러다임을 제시한다. 기존의 Pompe와 Themis는 단일 리더가 로컬 순서를 수집·합산하는 방식으로, 리더가 악의적이면 거래 순서를 임의로 재배열하거나 특정 거래를 차단할 수 있다. 또한 리더가 하나뿐이므로 네트워크 부하가 증가하면 처리량이 급격히 감소한다는 구조적 한계가 있다. FairDAG은 이러한 문제를 DAG 기반 BFT 합의 프로토콜의 다중 제안자 특성과 ‘유효성(validity)’ 속성을 활용한다. 모든 복제본이 동시에 블록을 제안하고, 각 블록은 이전 라운드의 여러 블록을 참조함으로써 인과 관계가 DAG 형태로 형성된다. 이 구조는 올바른 복제본이 만든 정점(vertex)이 결국 모든 올바른 복제본에 의해 커밋되는 것을 보장하므로, 악의적인 제안자가 특정 정점을 무시하거나 선택적으로 수집하는 행위를 제한한다.

FairDAG‑AB는 절대적인 순서선형성(Ordering Linearizability)을 목표로 한다. 각 복제본은 거래를 수신한 순서에 따라 단조 증가하는 ‘ordering indicator’를 부여하고, 다수(≥2f+1) 복제본의 지표를 기반으로 최종 순서를 결정한다. 여기서 제안된 LP‑AOI 적응형 임계값은 DAG의 커밋 규칙과 연동되어, 아직 커밋되지 않은 정점도 활용해 지연을 최소화한다. FairDAG‑RL은 γ‑Batch‑Order‑Fairness를 보장한다. 거래 간 의존성을 그래프 형태로 구축하고, γ 비율 이상의 올바른 복제본이 T1을 T2보다 먼저 수신했을 경우 T1이 같은 배치 혹은 앞선 배치에 배치되도록 한다. DAG의 유효성 덕분에 배치 경계 설정에 필요한 최소 올바른 복제본 수를 기존 Themis보다 낮출 수 있다.

두 프로토콜 모두 ‘Condorcet 사이클’와 같은 비선형 선호 구조가 발생할 경우, 배치를 통해 순서를 정의함으로써 불가능한 완전 순서 보장을 회피한다. 또한, FairDAG은 기존 리더 기반 프로토콜 대비 메시지 복잡도가 O(n) 수준으로 감소하고, 다중 제안자 설계 덕분에 처리량이 2~3배 향상되는 실험 결과를 제시한다. 보안 측면에서는 합의 단계에서의 신뢰성 브로드캐스트(RBC)와 DAG 커밋 규칙을 통해 ‘Agreement’, ‘Total Order’, ‘Validity’를 유지하면서, 악의적 복제본이 로컬 순서를 조작하거나 특정 정점을 무시하는 공격을 효과적으로 차단한다. 전체적으로 FairDAG은 공정성 보장을 위한 최소 복제본 수 요구조건을 완화하고, 높은 처리량과 낮은 레이턴시를 동시에 달성하는 실용적인 솔루션으로 평가된다.