[論文レビュー] Asymptotic Performance Analysis of Blockchain Protocols

Antoine Durand, Elyes Ben Hamida+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 24被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、ブロックチェーンプロトコルをTotal Order Broadcast（TO-Broadcast）の変種としてモデル化することで、通信複雑性と遅延の面から主要なプロトコルを形式的 asymptotic（漸近的）に性能分析する。その結果、許可なしブロックチェーンは最適な通信複雑性を達成するが、セキュリティパラメータに応じて遅延が増加するのに対し、Algorandは最終性メカニズムのおかげで一定の遅延を達成していることが判明した。

ABSTRACT

In the light of the recent fame of Blockchain technologies, numerous proposals and projects aiming at better practical viability have emerged. However, formally assessing their particularities and benefits has proven to be a difficult task. The aim of this work is to compare the fundamental differences of such protocols to understand how they lead to different practical performances. To reach this goal, we undertake a complexity analysis of a wide range of prominent distributed algorithms proposed for blockchain systems, under the lens of Total Order Broadcast protocols. We sampled protocols designed for very different settings and that use a broad range of techniques, thus giving a good overview of the achievements of state-of-the-art techniques. By analyzing latency and network usage, we are able to discuss each protocol's characteristics and properties in a consistent manner. One corollary result to our work is a more robust criteria to classify protocols as permissioned or permissionless.

研究の動機と目的

• ネットワーク効率とスケーラビリティに基づいてブロックチェーンプロトコルを比較する一貫性のある枠組みを確立すること。
• ネットワークサイズとセキュリティパラメータの関数として、通信複雑性と遅延の観点から代表的なブロックチェーンプロトコルの性能を分析すること。
• プロトコルを許可ありか許可なしかに分類する際の曖昧さを解消し、スケーラビリティに基づく基準を提示すること。
• 異なるコンセンサス技術（例：PoW、PoS、BFT）が漸近的性能指標に与える影響を評価すること。
• 新しいブロックチェーンプロトコルの実用的妥当性と性能トレードオフを評価するための方法論的基盤を提供すること。

提案手法

• ブロックチェーンプロトコルをTotal Order Broadcast（TO-Broadcast）のインスタンスとしてモデル化することで、性能評価のための統一的抽象化を可能にした。
• Bitcoin、Snow White、Spectre、Ouroboros、Algorand、Tendermint、HoneyBadgerBFTといった広範なプロトコル群を、共通の理論的枠組みの下で分析した。
• ネットワークサイズ（n）とセキュリティパラメータ（κ）の関数として、通信複雑性（ビットコスト）と遅延の漸近的表現を導出した。
• パブリックで偏りのないランダムネスが、ブロックチェーンプロトコルにおける通信オーバーヘッドの低減を可能にする重要な要因であることを示した。
• スケーラビリティに基づく基準を導入：プロトコルの通信複雑性がnに対して線形であり、かつ遅延がnに依存しない場合、それは許可なし設定に適していると定義した。
• 確率的セーフティ（例：PoW）と決定的最終性（例：Algorand）の間のトレードオフを比較するために、この枠組みを適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるブロックチェーンプロトコルは、ネットワークサイズやセキュリティパラメータが変化する条件下で、通信複雑性と遅延においてどのように比較されるか？
• RQ2 パブリックランダムネスは、ブロックチェーンプロトコルにおける通信コストの低減に果たす役割は何か？
• RQ3 なぜ許可なしブロックチェーンプロトコルは、セキュリティ保証があるにもかかわらず高い通信効率を示すのか？
• RQ4 許可なし設定に適したプロトコルとそうでないプロトコルを区別する、強固で形式的な基準を定義できるか？
• RQ5 最終性メカニズム（例：Algorand）は、遅延と通信複雑性のトレードオフにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 許可なしブロックチェーンプロトコルは、n人参加者に対する理論的下界であるbnに漸近的に近づく最適な通信複雑性を達成する。
• 許可なしプロトコルにおける遅延は、セキュリティパラメータκに応じて増加する。特に、Bitcoin や Ouroboros といったPoWベースのシステムでは、複数回のブロックマイニングラウンドが必要なため顕著である。
• Algorandは、フォークを排除する最終性メカニズムを採用しており、参加者の並列ランダムサンプリングを可能にしているため、κに依存しない一定の遅延を達成している。
• Algorandの通信コストは、他の一部のプロトコルより高いが、nに対して線形に増加するためスケーラブルであり、依然として実用的である。
• パブリックで偏りのないランダムネスの使用により、低い通信オーバーヘッドで確率的セーフティを実現でき、悪意ある参加の影響を高い確率で制限できる。
• プロトコルの通信複雑性がO(n)であり、かつ遅延がnに依存しない場合、それは許可なし設定に適していると定義され、プロトコルを分類するための形式的基準が得られた。