[論文レビュー] A Framework for Blockchain-Based Applications

Ephraim Feig|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 5被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、ビットコインやGitのような多様なシステムに共通するコアな構造的・運用的要素を特定することにより、ブロックチェーンベースのアプリケーションを設計するための一般的なフレームワークを提案する。ブロックチェーンが特定のユースケースに適しているかどうかを評価し、初期設計をガイドするための基礎的質問のセットを提示しており、信頼モデル、検証、合意形成、および不変性は初期段階から明確に扱わなければならないと強調している。

ABSTRACT

Blockchains have recently generated explosive interest from both academia and industry, with many proposed applications. But descriptions of many these proposals are more visionary projections than realizable proposals, and even basic definitions are often missing. We define "blockchain" and "blockchain network", and then discuss two very different, well known classes of blockchain networks: cryptocurrencies and Git repositories. We identify common primitive elements of both and use them to construct a framework for explicitly articulating what characterizes blockchain networks. The framework consists of a set of questions that every blockchain initiative should address at the very outset. It is intended to help one decide whether or not blockchain is an appropriate approach to a particular application, and if it is, to assist in its initial design stage.

研究の動機と目的

• ブロックチェーンベースのアプリケーションに明確な定義や設計ガイドラインが不足しており、技術的根拠に欠けるビジョナリックなアプローチが一般的であるという問題に対処する。
• 暗号通貨やGitリポジトリのような、異なるブロックチェーンシステム間で共通する構造的・運用的プリミティブを特定し、統一的な概念的基盤を確立する。
• 設計者が特定のアプリケーションにブロックチェーンが適しているかどうかを判断し、そのコアコンポーネントを初期段階から適切に構造化するのを支援する、実用的で質問ベースのフレームワークを構築する。
• 不変性がブロックチェーンの必須特性であるという前提を疑問視し、特定の文脈ではそれが負担になる可能性があると主張する。
• ブロックチェーンネットワークにおける信頼、検証、合意形成、インcentivesの役割を明確にし、これらが異なる信頼モデルによって著しく異なることを示す。

提案手法

• ブロックチェーンを、各ブロック（最初のブロックを除く）が暗号技術を用いて直前のブロックにリンクされたデータブロックの暗号的連結列として定義する。
• ブロックチェーンネットワークを、ピアがブロックチェーンを維持・検証するP2Pネットワークと定義し、特定のプロトコルによって合意形成が達成されるものとする。
• 対照的な2つのモデルを分析する：ビットコイン（信頼回避型、プルーフ・オブ・ワーク、パブリック、不変）、Git（信頼ベース型、許可型、プライベートまたはパブリック、変更可能なブランチ）。
• これらのモデル間で共通するプリミティブ要因（ブロック作成、検証、合意形成、ピア間通信、インcentivesなど）を抽出し、共通のフレームワークを構築する。
• データ構造、ブロック形成、検証、合意形成、信頼モデル、不変性、インcentivesをカバーする14のコア質問のセットを開発し、アプリケーション設計をガイドする。
• これらの質問を用いて実世界のアプリケーションを評価し、ブロックチェーン技術の誤用を防ぐ方法を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼モデルにかかわらず、ブロックチェーンネットワークを特徴付ける基本的な構造的・運用的コンポーネントは何であるか？
• RQ2 特定のアプリケーションにブロックチェーンが適しているかどうかを評価するためのフレームワークをどのように構築できるか？
• RQ3 信頼回避型システム（例：ビットコイン）と信頼ベース型システム（例：Git）との間で、信頼、検証、合意形成メカニズムにどのような差があるか？
• RQ4 不変性をブロックチェーンの必須特性とみなすべき程度はどの程度か。また、それを強制することはどのようなリスクを伴うか？
• RQ5 インcentivesとピアの行動は、ブロックチェーンネットワークの信頼性とセキュリティにどのように影響するか？

主な発見

• フレームワークは、ブロック形成、検証、合意形成、インcentivesをカバーする14の基本的質問を特定しており、これらはすべてブロックチェーンの開発初期段階で回答されなければならない。
• 不変性は、しばしば本質的であると想定されがちだが、実際には負担になり得る。特に、プライベートキーが紛失または漏洩した場合、例えばビットコインでは数百万ドル相当のコインが恒久的に失われたと推定されており、そのリスクが顕在化する。
• Gitは、プルーフ・オブ・ワークを用いず、人間による合意形成とバージョン管理を用いることで、信頼ベースのモデルで成功したブロックチェーンに類似したシステムを実現できることを示している。
• ビットコインにおけるプルーフ・オブ・ワークは高コストである：2018年3月時点での推定値では、1トランザクションあたり791kWhのエネルギー消費を要しており、スケーラビリティとエネルギー効率の課題を浮き彫りにしている。
• 許可型およびプライベートブロックチェーン（例：企業環境で使用されるもの）は、しばしばアクセス制御と中央集権的ガバナンスに依存しており、ビットコインの信頼なしモデルとは顕著に異なる。
• 本論文は、ブロックチェーンが従来のシステムよりも inherently より信頼できるわけではないと示している。むしろ、その信頼モデルはアプリケーションのニーズに基づいて明確に設計・正当化されなければならない。