[論文レビュー] A Survey on Consensus Mechanisms and Mining Management in Blockchain Networks

Wenbo Wang, Dinh Thai Hoang+5 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 142被引用数 100

ひとこと要約

本サーベイは、ブロックチェーンネットワークにおける分散型コンセンサスメカニズムとマイニング管理について、分散システム設計とインcentiveメカニズムの視点を統合して包括的な分析を提供する。コンセンサスプロトコルがどのように分散性、不変性、自己組織化を実現するかを検討し、ゲーム理論的戦略とそれらが新たなブロックチェーンアプリケーションに与える影響に焦点を当てる。

ABSTRACT

The past decade has witnessed the rapid evolution in blockchain technologies, which has attracted tremendous interests from both the research communities and the industry. The blockchain network was originated in the Internet finical sector as a decentralized, immutable ledger system for transactional data ordering. Nowadays, it is envisioned as a powerful backbone/framework for decentralized data processing and data-driven self-organization in flat, open-access networks. In particular, the plausible characteristics of decentralization, immutability and self-organization are primarily owing to the unique decentralized consensus mechanisms introduced by blockchain networks. This survey is motivated by the lack of a comprehensive literature review on the development of decentralized consensus mechanisms in blockchain networks. In this survey, we provide a systematic vision of the organization of blockchain networks. By emphasizing the unique characteristics of incentivized consensus in blockchain networks, our in-depth review of the state-of-the-art consensus protocols is focused on both the perspective of distributed consensus system design and the perspective of incentive mechanism design. From a game-theoretic point of view, we also provide a thorough review on the strategy adoption for self-organization by the individual nodes in the blockchain backbone networks. Consequently, we provide a comprehensive survey on the emerging applications of the blockchain networks in a wide range of areas. We highlight our special interest in how the consensus mechanisms impact these applications. Finally, we discuss several open issues in the protocol design for blockchain consensus and the related potential research directions.

研究の動機と目的

• ブロックチェーンネットワークにおける分散型コンセンサスメカニズムに関する包括的な文献レビューの不足に対処すること。
• 分散コンセンサスシステム設計とインcentiveメカニズム設計の両方の視点からコンセンサスプロトコルを分析すること。
• ゲーム理論的フレームワークを用いてブロックチェーンネットワークにおけるノード戦略の採用を調査すること。
• コンセンサスメカニズムが新たなブロックチェーンアプリケーションに与える影響を検討すること。
• ブロックチェーンコンセンサスプロトコル設計における未解決の問題と今後の研究方向性を特定すること。

提案手法

• ブロックチェーンネットワークにおける最新のコンセンサスプロトコルに関する体系的レビュー。
• ブロックチェーンアプリケーションにおける分散コンセンサスシステム設計とインcentiveメカニズム設計の統合。
• 分散型ブロックチェーンネットワークにおけるノード行動と戦略採用のゲーム理論的モデリング。
• 設計原則と運用モデルに基づくコンセンサスメカニズムの分類。
• プルーフ・オブ・ワークおよび代替コンセンサスモデルにおけるマイニング管理戦略の分析。
• コンセンサスメカニズムを実世界のブロックチェーンアプリケーションとマッピングし、そのパフォーマンスへの影響を検討。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型コンセンサスメカニズムは、ブロックチェーンネットワークにおいて不変性と自己組織化をどのように実現するか？
• RQ2 システム的およびインcentive的視点から見たコンセンサスプロトコルにおける主な設計トレードオフは何か？
• RQ3 異なるコンセンサスメカニズム下で、個々のノードはどのように戦略的に行動するか？
• RQ4 コンセンサスメカニズムは、ブロックチェーンアプリケーションのスケーラビリティおよびセキュリティにどのような影響を与えるか？
• RQ5 ブロックチェーンコンセンサスプロトコル設計における未解決の課題と今後の研究方向性は何か？

主な発見

• 本サーベイは、コンセンサスメカニズムがブロックチェーンシステムにおける分散性、不変性、自己組織化を実現する基盤であると特定している。
• インcentivizedコンセンサスメカニズムは、ノードの行動をネットワークのセキュリティと整合性の目標に一致させる上で重要な役割を果たす。
• ゲーム理論的分析により、戦略的ノード行動がコンセンサスの安定性とネットワークのレジリエンスに顕著な影響を与えることが明らかになった。
• 異なるコンセンサスプロトコルは、パフォーマンス、セキュリティ、分散性の間で異なるトレードオフを示す。
• 本サーベイは、コンセンサスメカニズムが多様な分野におけるブロックチェーンアプリケーションの実現可能性と効率性に直接的な影響を与えると強調している。
• コンセンサス設計における未解決の課題には、スケーラビリティ、エネルギー効率、長期的な経済的持続可能性が含まれるが、特にプルーフ・オブ・ステークおよびハイブリッドモデルにおいて顕著である。