[論文レビュー] A Survey of State-of-the-Art on Blockchains: Theories, Modelings, and Tools

Huawei Huang, Wei Kong+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 162被引用数 26

ひとこと要約

本サーベイは、応用に主に注目している既存の文献に欠けている、ブロックチェーン理論、分析モデル、実験的ツールに関する包括的分析を提供しており、コンSENSUSメカニズム、シャーディング、スケーラビリティ、相互運用性に関する最新の研究を分類し、ブロックチェーンシステムおよびネットワーク分野の研究者や実務家へのロードマップを提示している。

ABSTRACT

To draw a roadmap of current research activities of the blockchain community, we first conduct a brief overview of state-of-the-art blockchain surveys published in the recent 5 years. We found that those surveys are basically studying the blockchain-based applications, such as blockchain-assisted Internet of Things (IoT), business applications, security-enabled solutions, and many other applications in diverse fields. However, we think that a comprehensive survey towards the essentials of blockchains by exploiting the state-of-the-art theoretical modelings, analytic models, and useful experiment tools is still missing. To fill this gap, we perform a thorough survey by identifying and classifying the most recent high-quality research outputs that are closely related to the theoretical findings and essential mechanisms of blockchain systems and networks. Several promising open issues are also summarized finally for future research directions. We wish this survey can serve as a useful guideline for researchers, engineers, and educators about the cutting-edge development of blockchains in the perspectives of theories, modelings, and tools.

研究の動機と目的

• ブロックチェーンシステムの理論的基盤、分析モデル、実験的ツールに焦点を当てた専用サーベイの不足を解消すること。
• ブロックチェーンのコアメカニズムおよび理論的基盤に関連する高品質な研究出力を特定・分類すること。
• コンセンサスプロトコル、シャーディング、スケーラビリティ、相互運用性といった主要分野におけるブロックチェーン研究の構造的分類を提供すること。
• 学術的および産業的進展のためのブロックチェーン理論、モデリング、ツール分野における未解決問題と今後の研究方向性を強調すること。

提案手法

• 最近のブロックチェーンサーベイ論文67篇を体系的に収集・分析し、トレンドと研究ギャップを同定した。
• ブロックチェーンの基本、クライアント行動、AI/ゲーム理論統合、通信技術、アプリケーション特化型サーベイを焦点として、7つのテーマグループに既存のサーベイを分類した。
• キューイング理論、確率的モデル、ゲーム理論的フレームワークを含む理論的モデルの詳細なレビューを実施した。
• 実験的妥当性検証を目的とした、既存のブロックチェーンシミュレーションおよびエミュレーションツールの評価と分類を実施した。
• 暗号通貨ブロックチェーンにおけるプライバシー保護メカニズム、コインジャッキング防止、セキュリティモデリングにおける主な課題を同定した。
• スケーラビリティ、パフォーマンスモデリング、安全なプロトコル設計における未解決問題の批判的分析を通じて、今後の研究方向性を提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近のブロックチェーン研究で使用されている代表的な理論的およびモデリング手法は何か？
• RQ2 現在の分析モデルは、現実世界の条件下で取引の到着、ブロックマイニング、システムパフォーマンスをどのように捉えているか？
• RQ3 既存のブロックチェーンシミュレーションおよびエミュレーションプラットフォームにおける、実験的妥当性検証の主な制限要因は何か？
• RQ4 特にプライバシー、コインジャッキング、マルチチェーン攻撃ダイナミクスに関して、ブロックチェーンセキュリティ分野で残されている未解決問題は何か？
• RQ5 一般化キューイングおよび確率的モデルのような高度なモデリング手法は、ブロックチェーンシステム行動の理解をどのように向上させることができるか？

主な発見

• 応用指向のサーベイが豊富にある一方で、ブロックチェーン理論、モデリング、ツールに焦点を当てた包括的サーベイのギャップが顕著に存在する。
• コンセンサスプロトコル、シャーディング、スケーラビリティは、形式的モデリングとパフォーマンス分析への関心が高まる中で、最も活発に研究されている理論的分野である。
• 既存のブロックチェーンシミュレーションツールはスケーラビリティと導入の容易さに欠け、新規研究者やプロトコル評価者にとって障壁となっている。
• プライバシー保護メカニズムとコインジャッキング防止戦略は、形式的モデリングと脅威分析の観点から見ると、依然として未発達である。
• 現実世界の取引およびブロック到着パターンをよりよく表現するため、一般化された確率的およびキューイングモデルの導入が強く求められている。
• 今後の研究は、マイナー行動とマルチチェーン環境における攻撃耐性を分析するため、ゲーム理論的およびインcentiveベースのモデル統合を優先すべきである。