[論文レビュー] AT2: Asynchronous Trustworthy Transfers
本稿では、分散システムにおける非同期で信頼できる資産移転を実現する、合意形成を不要とするAT2というフレームワークを紹介する。合意形成の代わりに因果的順序付きブロードキャストプリミティブを活用することで、より高い性能とより単純な設計を実現しており、小規模な展開においては合意形成ベースのシステムと比較して1.5倍～6倍の高いスループットと最大2倍の低遅延を達成しており、グローバルスケールでも1秒未塔の実行時間を実現している。
Many blockchain-based protocols, such as Bitcoin, implement a decentralized asset transfer (or exchange) system. As clearly stated in the original paper by Nakamoto, the crux of this problem lies in prohibiting any participant from engaging in double-spending. There seems to be a common belief that consensus is necessary for solving the double-spending problem. Indeed, whether it is for a permissionless or a permissioned environment, the typical solution uses consensus to build a totally ordered ledger of submitted transfers. In this paper we show that this common belief is false: consensus is not needed to implement of a decentralized asset transfer system. We do so by introducing AT2 (Asynchronous Trustworthy Transfers), a class of consensusless algorithms. To show formally that consensus is unnecessary for asset transfers, we consider this problem first in the shared-memory context. We introduce AT2$_{SM}$, a wait-free algorithm that asynchronously implements asset transfer in the read-write shared-memory model. In other words, we show that the consensus number of an asset-transfer object is one. In the message passing model with Byzantine faults, we introduce a generic asynchronous algorithm called AT2$_{MP}$ and discuss two instantiations of this solution. First, AT2$_{D}$ ensures deterministic guarantees and consequently targets a small scale deployment (tens to hundreds of nodes), typically for a permissioned environment. Second, AT2$_{P}$ provides probabilistic guarantees and scales well to a very large system size (tens of thousands of nodes), ensuring logarithmic latency and communication complexity. Instead of consensus, we construct AT2$_{D}$ and AT2$_{P}$ on top of a broadcast primitive with causal ordering guarantees offering deterministic and probabilistic properties, respectively.
研究の動機と目的
- 分散型資産移転システムにおいて、合意形成が必須であるという広く共有されている信念に挑戦すること。
- 単一アカウントの移転オブジェクトの合意形成数が1であることを形式的に証明することにより、正しさを保証するために合意形成が不要であることを示すこと。
- Benign故障を想定した共有メモリモデルおよびメッセージパッシングモデルにおける、Byzantine故障に耐性を持つ実用的で非同期なアルゴリズムであるAT2 SM、AT2 D、AT2 Pを設計・実装すること。
- 合意形成なしの設計が、パフォーマンス、単純性、およびライブネス保証において、合意形成ベースのシステムを上回ることを実証すること。
- 合意形成による全順序の依存を避け、許可型（AT2 D）および非許可型（AT2 P）の両環境でスケーラブルで低遅延な資産移転を実現すること。
提案手法
- 良性障害を想定した共有メモリモデルにおける、待機フリーで合意形成数が1の資産移転用アルゴリズムであるAT2 SMを導入する。
- 因果的順序の保証を持つセキュアブロードキャストプリミティブに基づく汎用的なメッセージパッシングアルゴリズムであるAT2 MPを提案する。
- 小規模で許可型のシステム（数十〜数百分のノード）を想定した決定的インスタンスであるAT2 Dを設計し、強い整合性を確保するため因果的ブロードキャストを活用する。
- 大規模で非許可型のシステム（数万ノード）を想定した確率的インスタンスであるAT2 Pを開発し、通信複雑度を対数的レベルに抑え、1秒未塔の遅延を達成する。
- 各移転が同じアカウントに関連する操作にのみ依存する依存関係モデルを採用することで、可換な実行が可能になり、調整の必要が減少する。
- 全順序の代わりに因果的順序を保証するセキュアブロードキャスト抽象化に依存することで、全順序と合意形成の必要性を排除する。
実験結果
リサーチクエスチョン
- RQ1分散型資産移転システムにおいて、二重支出を防ぐために合意形成が真に必要なのであろうか？
- RQ2資産移転が合意形成数1で実装可能であるとすれば、合意形成を解消する必要があると示唆されるか？
- RQ3実世界の展開において、合意形成なしのシステムが合意形成ベースの代替案を上回るパフォーマンスと低遅延を達成できるか？
- RQ4Byzantine故障下でも正しさを保証しつつ、資産移転プロトコルにおいて全順序を置き換えるために因果的順序をどのように活用できるか？
- RQ5合意形成なしの設計が、大規模で非許可型ネットワークにおいても低遅延と高スループットを維持しながらスケーラブルに拡張可能か？
主な発見
- 単一アカウントの資産移転オブジェクトの合意形成数は1である。これは、分散型資産移転において合意形成が不要であることを証明する。
- AT2 Dは、最大100レプリカのシステムにおいて、合意形成ベースのソリューションと比較して1.5倍～6倍のスループット向上を達成し、遅延を最大2倍まで低減した。
- AT2 Pは、数千ノードのグローバルスケール展開においても、1秒未塔の移転実行時間を達成し、強力な水平スケーラビリティを示した。
- 全順序の排除と軽量な因果的ブロードキャストプリミティブへの依存により、AT2フレームワークは合意形成ベースのシステムよりも単純で高速である。
- AT2アルゴリズムは非同期であり、FLP不可能性の影響を受けないため、タイムアウトに依存せずにライブネスを保証する。
- 設計上、異なるアカウント間で可換な操作を自然にサポートでき、調整を要せず、効率的で分散型の実行が可能になる。
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