Addressing Centralization, Security and Performance Issues in Real-World Blockchain Systems

Abstract

A blockchain system is engineered to facilitate the execution of transactions in a consistent and dependable manner within an untrusted and decentralized environment. This innovative technology also enables the execution of various contracts without intermediary authorities, due to the capabilities of smart contracts embedded within the blockchain system. The blockchain system can permit the reliable execution of transactions because it distributes all data in a decentralized manner and provides trust through consensus mechanisms.

Nevertheless, in the blockchain system, centralization issues exist. For example, there are problems such as the security vulnerability of the single signature wallet, the centralization issue in the external database when looking up the transaction history in the blockchain, and the centralization tendency of the miner (verifier) of the consensus algorithm.

In this article, we concentrate on solving the centralization issues in blockchain. By addressing these centralization issues, we enhance the security and performance within the blockchain system. There are three key aspects: wallet security, the performance of transaction retrieval, and consensus algorithms.

First, centralized single-signature schemes are insecure. To solve this, we introduce an efficient multi-signature wallet that enhances security, performance, storage efficiency, and privacy without altering the underlying blockchain protocol. By exploiting a threshold elliptic curve digital signature algorithm (T-ECDSA) and bloom filter in the transactions, the proposed wallet demonstrates improved verification performance and reduced transaction size and fee compared to existing wallets.

Next, services using a centralized external database have to rely on their service and have issues with data authority. To solve this, we propose a new scheme to provide SQL query operations within each blockchain node to retrieve the history information of smart contracts and general transactions within the blockchain system. To do this, we combine an embedded relational database in an Ethereum-based blockchain system to provide the SQL query. It enables range query in blockchain without any user-defined data structure and decreases the management cost for the regular transaction without any external database.

Lastly, consensus algorithms tend to be centralized depending on the amount of mining power or staking. To solve this, we propose the Proof of Double Committee (PoDC) consensus mechanism for more decentralization of a block proposer, preventing collusion, and improving performance. In the PoDC, validators are divided into two groups (i.e., standing and steering members), and a coordinator and steering members are randomly selected using double hashing and a Verifiable Random Function (VRF). This approach not only mitigates centralization issues associated with existing consensus algorithms but also can improve blockchain performance than other consensus algorithms, such as Proof of Work (PoW) and Tendermint.

블록체인 시스템은 신뢰할 수 없는 탈중앙화된 환경에서 안정적인 사용자 간의 자금 전송을 실현하며, 스마트 컨트랙트의 활용을 통해 중간 신뢰 기관 없이 다양한 계약을 체결할 수 있도록 하는 구조를 가지고 있다. 그러나, 블록체인의 확장성과 사용 증가에 따른 다양한 중앙 집중화 문제가 도출되고 있다. 특히, 단일 서명 지갑의 보안 취약성, 블록체인 거래 내역 조회 성능의 부재 및 외부 데이터베이스의 단일 지점 실패, 그리고 합의 알고리즘에서의 검증자 중앙화 경향 등이 주요 문제로 지적되고 있다. 이러한 이유로, 블록체인에서의 중앙화 문제를 극복하고 보안 강화와 성능을 향상시키는 것이 블록체인 시스템에서의 중요한 이슈로 부상하고 있다. 본 연구에서는 이 문제들을 극복하기 위해, 단일 서명 지갑의 보안 강화, 외부 데이터베이스 의존성 해결을 통한 거래 검색 성능 향상, 그리고 합의 알고리즘의 중앙화 이슈를 해결하는 측면에 초점을 맞춘다.

첫 번째로, 블록체인 단일 서명 지갑의 보안 취약성을 해결하기 위해, 임계 타원 곡선 전자 서명 알고리즘(T-ECDSA)과 블룸 필터를 결합한 효율적인 다중 서명 지갑을 제안한다. 이 지갑은 블록체인 프로토콜을 변경하지 않고도 기존 지갑에 비해 검증 성능을 향상시키고 트랜잭션 크기를 축소하는 효과를 가지고 있다.

두 번째로, 외부 데이터베이스를 사용하지 않고 블록체인의 검색 성능을 향상시키기 위해, 블록체인 시스템 내부에 SQL 질의 연산을 통합하는 메커니즘을 제안한다. 이 메커니즘을 통해 이더리움 기반 블록체인 시스템 내부에 관계형 데이터베이스를 임베딩함으로써, 외부 데이터베이스나 별도의 사용자 정의 데이터 구조 없이도 스마트 계약 및 일반 트랜잭션에 대한 범위 질의를 실행할 수 있다.

마지막으로, 블록체인의 합의에 있어서 중앙화 문제를 해결하기 위해, 검증자를 상임위원과 운영위원으로 분리하고 이중 해싱과 검증 가능한 랜덤 함수(VRF)를 이용하여 무작위로 검증자를 선출하는 이중 위원회 증명 (PoDC) 합의 메커니즘을 제안한다. 이는 기존의 작업 증명 (PoW) 및 텐더민트와 같은 합의 알고리즘에서 발생하는 중앙 집중화 문제를 완화하고, 고정된 검증인 숫자를 통해 블록체인의 성능을 향상시킨다.

따라서, 본 논문은 블록체인 시스템에서 중앙 집중화 문제를 해결하고, 전반적인 보안과 성능 최적화를 달성하는 새로운 접근 방식을 제안한다.