[論文レビュー] A Scale-out Blockchain for Value Transfer with Spontaneous Sharding

Zhijie Ren, Cong, Kelong+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 12被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、オフチェーンでの取引記録とローカルで実行可能な検証を活用することで、分散性やセキュリティを損なわずに、自発的なシャーディングを実現するスケールアウト型ブロックチェーンを提案する。ノードは二重支出の抵抗性を証明するために必要な最小限の証明のみを保存・送信し、合理的な行動に基づいて動的にシャードを形成する。その結果、通信コストは線形以下に抑えられ、スケーラブルなスループットが達成される。

ABSTRACT

Bitcoin, as well as many of its successors, require the whole transaction record to be reliably acquired by all nodes to prevent double-spending. Recently, many blockchains have been proposed to achieve scale-out throughput by letting nodes only acquire a fraction of the whole transaction set. However, these schemes, e.g., sharding and off-chain techniques, suffer from a degradation in decentralization or the capacity of fault tolerance. In this paper, we show that the complete set of transactions is not a necessity for the prevention of double-spending if the properties of value transfers is fully explored. In other words, we show that a value-transfer ledger like Bitcoin has the potential to scale-out by its nature without sacrificing security or decentralization. Firstly, we give a formal definition for the value-transfer ledger and its distinct features from a generic database. Then, we introduce an off-chain based scheme with a shared main chain for consensus and an individual chain for each node for recording transactions. A locally executable validation scheme is proposed with uncompromising validity and consistency. A beneficial consequence of our design is that nodes will spontaneously try to reduce their transmission cost by only providing the transactions needed to show that their transactions are double-spending-proof. As a result, the network is sharded as each node only acquires part of the transaction record and a scale-out throughput could be achieved, which we call "spontaneous sharding".

研究の動機と目的

• すべてのノードが全取引セットを保存・検証する必要があるという、従来のブロックチェーンのスケーラビリティの制限を解消すること。
• 強固なセキュリティ保証と完全な分散性を維持しつつ、スケールアウト可能なスループットを実現すること。
• 一般用途のブロックチェーンとは異なる、価値移転レジスタ（VTL）モデルを形式的に定式化すること。
• ノードが証明ベースの検証によって通信コストを最小化することで、自発的にシャーディングを形成するシステムを設計すること。
• 自発的シャーディングが、検証者や中央機関を導入せずに実現可能であることを示すこと。

提案手法

• コンSENSUSを共有するメインチェーンと、各ノードごとに個別に持つローカルチェーンからなる二チェーンアーキテクチャを導入する。
• 各ノードが二重支出の抵抗性を保証するために必要な最小限の証明のみに基づいて取引を検証する、ローカルで実行可能な検証方式を採用する。
• 合理的なノード行動に依存して自発的シャーディングを促進する：ノードは通信コストを削減するために、必要な証明のみを送信することで最適化する。
• NettyとTendermintを用いたプロトタイプシミュレーションにより、接続性（c）とノード数（N=10から25）の変動下でのネットワーク挙動を評価する。
• 証明の可用性に基づいて最適なソース経由で取引をルーティングする、単純なスマートトランザクションアルゴリズムを適用する。
• 取引の有効性が、グローバルな取引セットへのアクセスではなく、有効な証明チェーンの存在に基づく証明ベースのフレームワークを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散性やセキュリティを損なわず、価値移転用ブロックチェーンがスケールアウト可能かどうか。
• RQ2 全取引セットをすべてのノードが保存する必要がないまま、二重支出を防ぐことは可能かどうか。
• RQ3 分散システムにおいて、合理的なノード行動から自発的シャーディングが自然に生じるかどうか。
• RQ4 証明ベースの検証モデル下で、通信コストがネットワークサイズにどのようにスケーリングするか。
• RQ5 自発的シャーディングが失敗する条件は何か、そしてそれらをどのように緩和できるか。

主な発見

• ノードの接続性（c）が低い場合に自発的シャーディングが発生し、その結果、1ノードあたりのチェーン取得数の平均（g）がN未満（g < N）となる。
• N=10,15,20,25のノードに対して、それぞれc < 3,4,4,6のとき自発的シャーディングが達成される。これらの閾値を超えると、すべてのノードが全チェーンを取得するようになり、スケールアウトの利点が失われる。
• システムは妥協のない合意形成および有効性条件を維持しており、誠実なすべてのノードが取引の有効性について合意に達する。
• 低接続性下では、通信コストがネットワークサイズに対して非線形にスケーリングされ、真のスケールアウトスループットが実現可能である。
• シミュレーションで使用された単純なトランザクションアルゴリズムは最適化の潜在能力を十分に活用していないため、さらなる改善により、より高いcでもgをさらに低減できる可能性がある。
• コア設計を変更せずに、ストレージ効率の向上のためのチェックポイントや、低遅延決済のためのプライベートチャネルといった将来的な拡張も可能である。