[論文レビュー] A Survey on Consortium Blockchain Consensus Mechanisms

Wei Yao, Junyi Ye+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 51被引用数 25

ひとこと要約

この論文は、コンsortiumブロックチェーンにおけるコンSENSUSメカニズムを調査し、PBFT や HotStuff といったプロトコルの耐障害性、スケーラビリティ、パフォーマンスを分析している。それぞれの運用メカニズムを比較し、PBFT の二次的複雑性と HotStuff の線形複雑性を強調し、企業向けブロックチェーン展開におけるトレードオフの洞察を提供している。

ABSTRACT

Blockchain is a distributed ledger that is decentralized, immutable, and transparent, which maintains a continuously growing list of transaction records ordered into blocks. As the core of blockchain, the consensus algorithm is an agreement to validate the correctness of blockchain transactions. For example, Bitcoin is a public blockchain where each node in Bitcoin uses the Proof of Work (PoW) algorithm to reach a consensus by competing to solve a puzzle. Unlike a public blockchain, a consortium blockchain is an enterprise-level blockchain that does not contend with the issues of creating a resource-saving global consensus protocol. This paper highilights several state-of-the art solutions in consensus algorithms for enterprise blockchain. For example, the HyperLedger by Linux Foundation includes implementing Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) as the consensus algorithm. PBFT can tolerate a range of malicious nodes and reach consensus with quadratic complexity. Another consensus algorithm, HotStuff, implemented by Facebook Libra project, has achieved linear complexity of the authenticator. This paper presents the operational mechanisms of these and other consensus protocols, and analyzes and compares their advantages and drawbacks.

研究の動機と目的

• 企業向けコンsortiumブロックチェーンに特化した最新のコンセンサスアルゴリズムを分析すること。
• コンセンサスプロトコルにおける耐障害性、パフォーマンス、計算複雑性のトレードオフを評価すること。
• PBFT と HotStuff の運用メカニズムを比較し、スケーラビリティと効率性に焦点を当てること。
• Hyperledger や Libra のような企業ブロックチェーンにおける実用的実装の包括的概要を提供すること。

提案手法

• 企業ブロックチェーンプラットフォームで使用されるコンセンサスアルゴリズム、特に PBFT と HotStuff をサーベイおよび分析すること。
• PBFT の運用メカニズムを検討し、二次的通信複雑性を有するByzantine Fault Tolerance を達成すること。
• HotStuff を分析し、三段階の投票プロセスを用いて線形通信複雑性を達成するリーダー主導型プロトコルであること。
• 耐障害性、メッセージ複雑性、パフォーマンス特性に基づいてコンセンサスメカニズムを比較すること。
• Hyperledger が PBFT を使用するなど、実世界の実装を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PBFT と HotStuff は、コンセンサスメカニズムと通信複雑性においてどのように異なるか？
• RQ2 コンsortiumブロックチェーンのコンセンサスプロトコルにおいて、耐障害性と計算効率性の間のトレードオフは何か？
• RQ3 なぜ PBFT は二次的複雑性があるにもかかわらず、許可型環境に適しているのか？
• RQ4 HotStuff はどのように線形複雑性を達成し、PBFT に対してどのような利点を提供するのか？

主な発見

• PBFT は強力なByzantine Fault Tolerance を提供するが、二次的通信複雑性を伴い、スケーラビリティに制限が生じる。
• HotStuff は通信複雑性を線形に低減し、大規模なコンsortiumブロックチェーンにおいてよりスケーラブルである。
• PBFT と HotStuff は、許可型環境における悪意あるノードの耐性を有するため、両者とも企業ブロックチェーンに適している。
• PBFT と HotStuff の間の選択は、耐障害性とシステム効率性のトレードオフに依存する。