[論文レビュー] An Efficient Framework for Execution of Smart Contracts in Hyperledger Sawtooth

Manaswini Piduguralla, Saheli Chakraborty+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2023

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ハイパーグリッド・ソートゥースにおけるスマートコントラクト取引の並列的・競合フリーな実行を可能にする、DAGベースの並列スケジューラおよびスマートバリデータの提案を行う。実行前に依存関係を静的に分析し、取引関係を表す有向無閉路グラフ（DAG）を用いることで、取引スループットを顕著に向上させるとともに、検証時間を短縮する。ベンチマークテストでは、逐次実行と比較して最大2.5倍の高速化を達成した。

ABSTRACT

Blockchain technology is a distributed, decentralized, and immutable ledger system. It is the platform of choice for managing smart contract transactions (SCTs). Smart contracts are self-executing codes of agreement between interested parties commonly implemented using blockchains. A block contains a set of transactions representing changes to the system and a hash of the previous block. The SCTs are executed multiple times during the block production and validation phases across the network. The execution is sequential in most blockchain technologies. In this work, we incorporate a direct acyclic graph (DAG) based parallel scheduler framework for concurrent execution of SCTs. The dependencies among a block's transactions are represented through a concurrent DAG data structure that assists in throughput optimization. We have created a DAG scheduler module that can be incorporated into blockchain platforms for concurrent execution with ease. We have also formally established the safety and liveness properties of the DAG scheduler. For evaluation, our framework is implemented in Hyperledger Sawtooth V1.2.6. The performance across multiple smart contract applications is measured for various scheduler types. Experimental analysis shows that the proposed framework achieves notable performance improvements over the parallel SCT execution frameworks.

研究の動機と目的

• スマートコントラクト取引の逐次実行が原因で生じるブロックチェーンシステムのスケーラビリティのボトルネックを解消すること。
• ブロック生成段階および検証段階の両方で、効率的かつ競合フリーなスマートコントラクトの並列実行を可能にすること。
• 有向無閉路グラフ（DAG）を用いて事前に依存関係を計算・検証することで、検証のオーバーヘッドを低減すること。
• ノードアーキテクチャに並列スケジューラおよびスマートバリデータモジュールを統合することで、ハイパーグリッド・ソートゥースのパフォーマンスを向上させること。
• マイナーが不正な依存関係グラフを提示するのを防ぐために、バリデータが提供された依存関係グラフの正確性を検証できるようにすること。

提案手法

• フレームワークは、実行前に依存関係を静的に分析し、取引依存関係を表す有向無閉路グラフ（DAG）を構築する。
• DAGは並列スケジューラモジュールによって生成され、バリデータと共有され、検証段階での依存関係の再計算を回避する。
• スマートバリデータモジュールはDAGの正しさを検証し、悪意あるノードが不正確な依存関係グラフを送信できないようにする。
• システムはハイパーグリッド・ソートゥースのモジュラーアーキテクチャを活用し、スケジューラおよびバリデータをプラグイン可能なコンポONENTとして統合する。
• DAG構造により、独立した取引は並列実行可能であり、依存関係のある取引には正しい順序が保証される。
• パフォーマンス評価は、Sawtooth v1.2.6上で実世界のスマートコントラクトアプリケーション（例：Intkey、Insurance）を用いて実施された。

Figure 2 : Proposed framework in the blockchain

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAGによる静的依存関係分析は、ブロックチェーンシステムにおけるスマートコントラクトの効率的かつ競合フリーな並列実行を可能にするか？
• RQ2 提案されたDAGベーススケジューラは、ハイパーグリッド・ソートゥースにおける逐次実行と比較して、取引スループットをどのように向上させるか？
• RQ3 スマートバリデータは、事前に計算された依存関係グラフを再利用することで、検証時間をどの程度短縮できるか？
• RQ4 取引の相互依存性が変化する状況下でも、DAGスケジューラは安定的かつ効率的に動作するか？
• RQ5 従来の検証方法と比較して、スマートバリデータのパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？

主な発見

• 提案されたフレームワークは、ハイパーグリッド・ソートゥースにおける逐次実行と比較して、最大2.5倍の取引スループット向上を達成した。
• スマートバリデータは、ベースラインスケジューラと比較して、依存関係グラフの作成および検証時間を最大40％短縮した（図5参照）。
• DAGスケジューラは、さまざまな依存関係パターンにおいて安定したパフォーマンスを示し、異なるワークロード下でも実行時間のばらつきが最小限に抑えられた。
• 特に高頻度の依存関係が生じる状況下でも、スマートバリデータは他のスケジューラーよりも依存構造の作成および検証において優れた性能を示した。
• すべてのテストケースにおいて正しさと一貫性が維持され、プロダーやバリデータ間で決定論的な実行が保証された。
• IntkeyおよびInsurance取引ファミリーを用いた広範な実験により、提案されたスケジューラおよびバリデータモジュールのスケーラビリティと効率性が確認された。

Figure 4 : Linked list representation of the DAG.