Optimizing Payment Scalability and Storage Efficiency for Blockchain Systems = 블록체인 시스템의 결제 확장성 및 저장 효율성 최적화

국문 초록 (Abstract)

블록체인 시스템이 점점 더 많은 사용자와 어플리케이션을 지원함에 따라, 처리해야 하는 트랜잭션의 규모는 급격히 증가하고 있다. 그러나 모든 트랜잭션을 온체인(on-chain)에서 처리하는 방식은 합의 비용과 상태 관리 오버헤드가 크기 때문에, 장기간에 걸쳐 높은 처리량을 지속적으로 유지하기 어렵다. 이러한 근본적인 한계를 해결하기 위해, 온체인 트랜잭션 부하를 줄이면서 확장성과 사용성을 향상시키는 오프체인(off-chain) 솔루션들이 활발히 연구되어 왔다. 그러나 기존 솔루션들은 여러 문제점을 가지고 있다. 모든 사용자의 결제를 지원하기 위해 막대한 양의 자산을 예치해야 하며, 결제 내역이 다른 사용자에게 노출될 가능성이 있다. 또한 자산의 안전을 보장하기 위해 사용자가 지속적이거나 주기적으로 온라인 상태를 유지해야 한다.
본 논문에서는 신뢰 실행 환경(Trusted Execution Environment, TEE)을 갖춘 중앙화된 호스트 가 운영하는 고확장성 결제 시스템인 RouTEE를 제안한다. RouTEE는 호스트에 의해 운영되지만, 결제 내역을 포함한 데이터는 호스트로부터 은닉될 수 있어 기밀성과 무결성을 제공한다. 또한 RouTEE는 자체 담보를 요구하지 않고 사용자로부터 예치를 받아 결제를 수행한다. 사용자는 전체 블록체인을 검증할 필요 없이 블록 헤더만 비동기적으로 검증하면 되며, 자산 손실에 대한 걱정 없이 무기한 오프라인 상태를 유지할 수 있다. RouTEE의 결제 처리량은 TEE의 성능에 의해서만 제한되므로 높은 확장성을 갖는다. 또한 RouTEE는 UTXO 기반 블록체인에서 디지털 서명만을 요구하므로 높은 이식성을 제공한다. Intel SGX를 이용해 비트코인 상에서 구현한 RouTEE의 실험 결과, 빈번한 데이터 백업 환경에서도 15만 명 이상의 사용자를 지원하면서 높은 처리량을 달성함을 확인하였다.
한편, 자산은 여전히 예치와 정산 과정을 통해 온체인과 오프체인 영역 사이를 이동해야 하며, 이 두 연산은 모두 온체인에서 수행되어야 한다. 예치가 신속하게 처리되지 않으면 사용자는 빠르게 오프체인 결제에 참여할 수 없게 되어 사용자 경험이 저하된다. 정산은 다수의 오프체인 결제 결과가 누적된 연산이므로 더욱 중요하며, 높은 신뢰성과 보안성을 요구한다. 이러한 연산을 안전하게 관리하기 위해, 계정 기반 블록체인은 머클 패트리샤 트라이(Merkle Patricia Trie, MPT)를 사용하여 온체인 상태의 무결성과 검증 가능성을 유지한다. 그러나 사용자 수가 증가하고 예치 및 정산이 누적됨에 따라 상태 데이터의 크기는 지속적으로 증가하며, 이는 상태 접근 비용과 저장소 요구량을 동시에 증가시킨다.
이 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 Ethane이라는 새로운 상태 최적화 기법을 제안한다. 이더리움에서와 같이 계정에 고정된 해시 기반 경로 키를 할당하는 대신, Ethane은 가변적인 카운터 기반 경로 키를 사용한다. 이에 따라 트랜잭션이 계정을 생성하거나 갱신할 때마다 새로운 리프 노드를 생성하고, 다음 카운터 값에 해당하는 경로 키를 할당함으로써 해당 리프를 트라이의 가장 오른쪽 위치에 추가한다. 이러한 압축된 트라이 구조는 공통 부모 노드를 극대화하고 불필요한 비리프 노드 생성을 최소화하여 아카이브 상태 데이터의 크기를 크게 줄인다. 또한 Ethane은 자주 갱신되는 계정을 위한 활성 트라이와, 장기간 갱신되지 않은 휴면 계정을 위한 비활성 트라이의 두 가지 압축 트라이를 유지한다. 휴면 계정은 비활성 트라이로 이동되지만, 복구 트랜잭션을 통해 언제든지 다시 활성화될 수 있다. 풀 노드 동기화 시에는 활성 트라이와 비활성 트라이의 가장 오른쪽 경로만 다운로드하면 정상적으로 동작할 수 있어, 저장 공간 요구량과 동기화 오버헤드를 크게 줄일 수 있다. 실험 결과, Ethane은 아카이브 상태 데이터를 60–85%, 현재 상태 트라이를 60–94%까지 감소시키며, 블록 실행 성능을 두 배로 향상시킨다.
압축된 상태 구조를 사용하더라도, 트라이 노드는 LevelDB와 같은 키–값 데이터베이스에 저장되며, 이때 키 스킴의 선택은 디스크 I/O 성능과 스토리지 효율성에 결정적인 영향을 미친다. 기존 방식에서는 노드의 해시값을 키로 사용하므로, 무작위 읽기 및 쓰기가 발생하여 데이터베이스 성능을 저하시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 경로나 버전 정보와 같은 추가 데이터를 활용하는 다양한 대안적 키 스킴이 제안되어 왔다. 그러나 이들 기법에 대한 현실적인 실험 분석은 거의 이루어지지 않아, 실제 성능 개선 효과와 트레이드오프가 명확하지 않았다. 이에 본 논문에서는 다양한 키 스킴에 대한 최초의 현실적인 실험 평가를 수행한다. 실험 결과, 버전 프리픽스 기반 스킴은 기존 해시 기반 스킴 대비 최대 3.23배의 성능 향상을 보였으며, 경로 프리픽스 기반 스킴은 디스크 사용량을 최대 86%까지 절감하였다. 또한 대규모 실험에서 수집한 상세한 지표를 바탕으로 각 키 스킴의 특성과 트레이드오프를 종합적으로 분석한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As blockchain systems continue to support a growing number of users and applications, the volume of transactions they must process has expanded dramatically. However, processing all transactions on-chain incurs substantial consensus and state management overhead, making it difficult to sustain high throughput over time. To address this fundamental limitation, off-chain solutions have been widely explored to reduce on-chain transaction load while improving scalability and usability. Unfortunately, existing solutions have several issues. A huge amount of assets needs to be deposited to support all users' payments. Payment details are likely to be exposed to other users. Lastly, users should be online continuously or periodically to secure their assets.
We propose RouTEE, a highly scalable payment system on a centralized host with trusted execution environments (TEEs) that can provide confidentiality and integrity. Although RouTEE is run by a host, its data including payment details can be concealed from the host. Also, RouTEE does not require its own collateral, but receives deposits from users and makes payments. Users do not have to verify the whole blockchain but only the block headers asynchronously, and they can go indefinitely offline without worrying about financial losses. Finally, RouTEE is highly scalable since its payment throughput is limited only by the TEE performance. RouTEE works for any UTXO-based blockchain and requires only digital signatures, making it highly portable. Our implementation of RouTEE using Intel SGX on Bitcoin shows that RouTEE achieves high throughput even with frequent data backups for more than 150K users.
Nevertheless, assets must still be transferred between on-chain and off-chain domains through deposit and settlement operations, both of which must be executed on-chain. If deposits are not processed promptly, users cannot participate in off-chain payments in a timely manner, degrading user experience. Settlements are even more critical, as they represent the accumulated results of numerous off-chain payments and thus require a higher level of reliability and security. To securely manage these operations, account-based blockchains rely on the Merkle Patricia Trie (MPT) to maintain on-chain state with integrity and verifiability. However, as the number of users increases and deposits and settlements accumulate over time, state data continues to grow, increasing both state access costs and storage requirements.
To address this problem, we introduce a novel state optimization technique called Ethane. Instead of assigning a fixed, hash-based path key for an account as in Ethereum, Ethane assigns a variable, counter-based path key. Thus, when a transaction creates or updates an account, Ethane creates a new leaf node for the account and assigns a path key of the next counter value, which has an effect of adding the leaf to the rightmost slot of the trie. This compact trie maximizes common parent nodes and minimizes the creation of new non-leaf nodes, significantly reducing the archive data size. In addition, Ethane maintains two types of compact tries: an active trie for frequently updated accounts and an inactive trie for dormant accounts not updated for a long time (e.g., three months). Dormant accounts are transferred to the inactive trie but can be reactivated at any time via a restore transaction. When synchronizing as a full node, Ethane only needs to download the active trie and the rightmost path of the inactive trie to function fully, significantly reducing both storage requirements and synchronization overhead. Our evaluation shows that Ethane can downsize the archive state data by 60-85% and the current state trie by 60-94%. It also doubles the block execution performance.
Even with a compact state structure, trie nodes are stored in a key–value database such as LevelDB, where the choice of key scheme has a critical impact on disk I/O behavior and storage efficiency. The hash of a node is used as its key, which induces random reads and writes and degrades database performance. Instead of the traditional hash-based key scheme, several studies have proposed alternative key schemes that leverage additional data such as paths or versions. While these new key schemes are theoretically promising, there has been no realistic empirical analysis, leaving their trade-offs and practical benefits unclear. Therefore, we present the first realistic evaluation of various key schemes. Our experiments show that version-prefix schemes improve performance by up to 3.23×, while path-prefix schemes reduce disk usage by up to 86%, compared to the traditional hash-based scheme. In addition to these quantitative results, we provide a comprehensive analysis of the characteristics and trade-offs of different schemes, based on detailed metrics from our large-scale experiments.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Figures vi
• List of Tables vii
• 1 Introduction 1
• 2 Background 4
• 2.1 Blockchains 4
• 2.1.1 Bitcoin 4
• 2.1.2 Ethereum 5
• 3 RouTEE: Secure, Scalable, and Efficient Off-Chain Payments using Trusted Execution Environments 7
• 3.1 Introduction 7
• 3.2 Background and Related Work 9
• 3.2.1 Payment Channel Networks 9
• 3.2.2 Payment Channel Hubs 10
• 3.2.3 Commit Chains 10
• 3.3 RouTEE Design 11
• 3.3.1 Design Overview 12
• 3.3.2 Assumptions and Adversary Model 14
• 3.3.3 Design Challenges 15
• 3.4 RouTEE Protocol 16
• 3.4.1 Initialization 16
• 3.4.2 Channel Creation 17
• 3.4.3 Payment 18
• 3.4.4 Settlement 19
• 3.4.5 Block Insertion 21
• 3.5 Security Analysis 21
• 3.5.1 Feature Correctness 22
• 3.5.2 Unfair Profit Prevention 24
• 3.6 Data Backup 26
• 3.7 Evaluation 27
• 3.7.1 Performance of User Operations 28
• 3.7.2 Performance of Host and Client 30
• 3.8 Discussion and Extension 31
• 3.8.1 Compromised TEEs 31
• 3.8.2 Irrational Host 32
• 3.9 Summary 33
• 4 Ethane: Debloating State Data using Compact Trie for Account-based Blockchain 34
• 4.1 Introduction 34
• 4.2 Background 37
• 4.2.1 State Trie 37
• 4.2.2 Merkle Proof 39
• 4.2.3 Synchronization 40
• 4.3 Ethane Design 40
• 4.3.1 Compact Trie 40
• 4.3.2 Inactivation and Restoration 42
• 4.3.3 Full Node without Entire Inactive Trie 43
• 4.4 Ethane Protocol 45
• 4.4.1 Managing Active Trie 45
• 4.4.2 Inactivating Dormant Accounts 46
• 4.4.3 Restoring Inactive Accounts 46
• 4.4.4 Synchronization and Data Maintenance 49
• 4.5 Evaluation 49
• 4.5.1 Experiment Setup 49
• 4.5.2 Impact of Inactivation Threshold 50
• 4.5.3 Impact of Epoch length on Storage 52
• 4.5.4 Restoration Behavior and Overhead 54
• 4.5.5 Performance Analysis and Correctness 55
• 4.5.6 Discussion 58
• 4.6 Related Work 59
• 4.7 Robustness against Storage DoS Attacks 60
• 4.8 Summary 60
• 5 An Empirical Analysis of Key Schemes for Trie Node Storage in Ethereum 62
• 5.1 Introduction 62
• 5.2 Background 64
• 5.2.1 LevelDB 64
• 5.3 Key Schemes 65
• 5.3.1 Hash-prefix Key Schemes 65
• 5.3.2 Path-prefix Key Schemes 65
• 5.3.3 Version-prefix Key Schemes 68
• 5.3.4 Authentication without Hash-Based Keys 69
• 5.4 Implementation 69
• 5.5 Evaluation 70
• 5.5.1 Experimental Setup 70
• 5.5.2 Performance 71
• 5.5.3 Storage Efficiency 76
• 5.6 Summary 78
• 6 Conclusion 79
• Bibliography 80
• 한국어 초록 88