검열 저항 BFT를 위한 접두 합의

초록

본 논문은 블록체인에서 리더가 트랜잭션을 선택적으로 배제할 수 있는 문제를 해결하기 위해 “접두 합의(Prefix Consensus)”라는 새로운 원시를 제안한다. 비동기 환경에서도 3라운드로 해결 가능하며, 이를 강화한 “강한 접두 합의(Strong Prefix Consensus)”를 이용해 리더리스·다중 제안자 구조의 검열 저항 BFT 상태머신 복제 프로토콜을 설계한다. 프로토콜은 슬롯당 4라운드(동기 시작 시 3라운드) 내에 정당한 제안들을 커밋하고, GST 이후 최대 f 슬롯만 검열될 수 있는 f‑검열 저항성을 보장한다.

상세 분석

접두 합의는 기존의 단일값 합의와 달리 각 파티가 길이 L인 벡터를 입력으로 제공하고, 두 개의 출력 벡터 (v_low, v_high) 를 반환한다. v_low는 모든 정직 파티의 입력 벡터가 공유하는 최대 공통 접두(prefix)를 포함하고, v_high는 v_low를 확장하면서 모든 정직 파티 간에 v_low ⊑ v_high 관계를 만족한다. 이 구조는 “하나의 정답”을 강제하지 않기 때문에 비동기 환경에서도 결정론적으로 해결할 수 있다. 논문은 n = 3f + 1일 때 3라운드가 필요충분함을 증명하고, n ≤ 4f에서는 3라운드가 불가능함을 하한으로 제시한다. 핵심 아이디어는 각 라운드에서 서명된 “프리픽스 증명”을 교환해 서로 일관된 접두 집합을 구축하고, 이를 통해 모든 정직 파티가 동일한 v_low 및 v_high 관계를 확보하도록 하는 것이다.

강한 접두 합의는 추가적으로 v_high 에 대한 전역 합의를 요구한다. 이를 위해 프로토콜은 “뷰” 개념을 도입해 첫 번째 뷰에서는 실제 입력 벡터에 대해 접두 합의를 수행하고, 이후 뷰에서는 이전 뷰에서 얻은 인증서(certificate) 벡터에 대해 다시 접두 합의를 수행한다. 어느 한 뷰에서 비어 있지 않은 인증서가 커밋되면, 해당 인증서는 최초 뷰의 v_high 값을 고정시키는 역할을 하여 전체 프로토콜이 단일 v_high 에 수렴한다. 이 과정은 부분 동기 모델에서만 가정하고, 매 라운드마다 하나의 파티를 정지시킬 수 있는 적대적 공격에도 진행될 수 있다.

이 강한 접두 합의를 기반으로 만든 다중 슬롯 합의 프로토콜은 각 슬롯마다 모든 파티가 제안을 브로드캐스트하고, 사전 정의된 결정적 순위(rank)대로 해시 벡터를 정렬한다. 그 후 강한 접두 합의를 한 번 실행해 v_low (커밋 가능한 제안)과 v_high (다음 슬롯으로 확장 가능한 제안)를 얻는다. v_low 은 즉시 커밋되고, v_high 이 모든 정직 파티에서 동일하게 결정되면 슬롯이 종료된다. 검열 저항성을 확보하기 위해, 슬롯이 v_low 에 포함되지 않은 첫 번째 파티를 순위 리스트의 끝으로 이동시키는 “디모션” 규칙을 적용한다. 따라서 악의적인 파티는 최대 한 번만 정직 파티의 제안을 차단할 수 있고, 그 이후에는 순위가 최하위로 밀려 더 이상 검열에 영향을 미치지 않는다. GST 이후에는 최대 f 슬롯만 검열될 수 있으며, 그 이후에는 완전한 진행이 보장된다.

또한 논문은 접두 합의와 기존의 graded consensus, binary/validated consensus 사이의 관계를 정리한다. 접두 합의에 대한 하한이 graded consensus에 대한 동일한 하한을 제공함을 이용해, 3 메시지 지연으로 최적 레이턴시를 달성하는 graded consensus 프로토콜을 제시한다. 강한 접두 합의를 블랙박스로 사용하면, 리더리스 바이너리·검증 합의를 O(n³) 메시지 복잡도와 O(n⁴) 통신량으로 구현할 수 있어 기존 리더리스 설계보다 효율적이다. 전체적으로 이 연구는 검열 저항성을 형식적으로 정의하고, 실용적인 BFT 시스템에 적용 가능한 새로운 추상화와 프로토콜 스택을 제공한다.