[論文レビュー] Atomic Appends: Selling Cars and Coordinating Armies with Multiple Distributed Ledgers

Antonio Fernández Anta, Chryssis Georgiou+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、クライアントが複数の分散ブロックチェーン（DLO）に記録をすべてまたはまったくつけない形で同時に追加する必要がある、マルチブロックチェーンシステムにおけるAtomicAppends問題を提示する。本稿では、クラッシュ障害や非同期環境下でも一貫性を保証するため、アトミックブロードキャストを用いる信頼できる中間者としてのスマートDLO（SDLO）を提案する。これにより、自動車販売や連携軍事作戦などの安全なブロックチェーン間資産交換が可能になる。

ABSTRACT

The various applications using Distributed Ledger Technologies (DLT) or blockchains, have led to the introduction of a new `marketplace' where multiple types of digital assets may be exchanged. As each blockchain is designed to support specific types of assets and transactions, and no blockchain will prevail, the need to perform interblockchain transactions is already pressing. In this work we examine the fundamental problem of interoperable and interconnected blockchains. In particular, we begin by introducing the Multi-Distributed Ledger Objects (MDLO), which is the result of aggregating multiple Distributed Ledger Objects -- DLO (a DLO is a formalization of the blockchain) and that supports append and get operations of records (e.g., transactions) in them from multiple clients concurrently. Next, we define the AtomicAppends problem, which emerges when the exchange of digital assets between multiple clients may involve appending records in more than one DLO. Specifically, AtomicAppend requires that either all records will be appended on the involved DLOs or none. We examine the solvability of this problem assuming rational and risk-averse clients that may fail by crashing, and under different client utility and append models, timing models, and client failure scenarios. We show that for some cases the existence of an intermediary is necessary for the problem solution. We propose the implementation of such intermediary over a specialized blockchain, we term Smart DLO (SDLO), and we show how this can be used to solve the AtomicAppends problem even in an asynchronous, client competitive environment, where all the clients may crash.

研究の動機と目的

• クライアントがデジタル資産を交換する際の、複数の分散ブロックチェーン（DLO）にわたるアトミックな調整の問題を形式化すること。
• クラッシュ障害を想定した状況下で、協力的および競争的クライアントユーティリティモデルにおけるAtomicAppendsの可解性を分析すること。
• 非同期環境およびクライアント障害が発生する状況下で、中間者による問題解決の役割を調査すること。
• 暗号技術やスマートコントラクトに依存せずに、専用ブロックチェーン（スマートDLO：SDLO）を用いてアトミック性を保証する解決策を設計・検証すること。
• すべてのクライアントがクラッシュする可能性がある非同期環境下でも、SDLOが終了性と一貫性を保証できることを示すこと。

提案手法

• 複数のDLOを統合して並行的な追加および取得操作を可能にする、マルチ分散ブロックチェーンオブジェクト（MDLO）を形式的抽象化として導入する。
• 複数のDLOにわたるすべての記録が同時に追加されるか、まったく追加されないことを要件とするアトミック追加（AtomicAppends）問題を定義し、ブロックチェーン間取引におけるアトミック性を確保する。
• アトミックブロードキャストを用いて、DLO間での記録伝搬の一貫性を保証する中間者としてのスマートDLO（SDLO）を提案する。
• クライアントがSDLOにアトミック追加リクエストを送信し、SDLOが対象DLOに該当する追加処理をトリガーするアルゴリズム$\mathcal{A}_{SDLO}$を設計する。
• 最大$f$台のサーバーがクラッシュする場合を想定し、SDLOに記録を追加するための$f+1$台のサーバーが正常に動作すれば故障耐性を確保する。
• 重複エントリを防ぐために、恒等的（idempotent）な追加操作を用い、SDLOが両方のリクエストを記録した場合にのみ、両方の記録が追加されるように保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようなシステムモデル（同期／非同期）とクライアント障害仮定下で、AtomicAppends問題が解けるか？
• RQ2 クラッシュしやすい、合理的かつリスク回避的クライアントが関与する非同期環境下では、AtomicAppendsを解くために中間者が必要か？
• RQ3 暗号技術やスマートコントラクトに依存せず、単にネイティブなDLO操作（追加および取得）のみを用いて問題を解けるか？
• RQ4 協力的モデルと競争的モデルのユーティリティモデルの違いが、問題の可解性および解決策の設計に与える影響は何か？
• RQ5 クライアントのクラッシュやネットワークの非同期性が発生する状況下で、終了性と一貫性を保証するメカニズムは何か？

主な発見

• クラッシュしやすい、競争的なクライアントを想定した非同期システムでは、直接DLO操作のみを用いてもAtomicAppends問題は解けない（1台のクラッシュでさえも）。
• 協力的モデルでは、同期的および非同期的環境下で直接追加操作を用いてAtomicAppendsを解けるが、競争的モデルでは委任なしでは解けない。
• SDLOに基づく解決策$\mathcal{A}_{SDLO}$は、非同期環境および完全なクライアントクラッシュ障害下でも、協力的および競争的両モデルにおいてAtomicAppendsを正常に解ける。
• SDLOは、アトミックブロードキャストを用いてDLO間での追加を調整し、最大$f$台のサーバーがクラッシュする場合でも、$f+1$台のサーバーが正常に動作すれば、操作を完了できる。
• アルゴリズムはクライアントに対して終了性を保証する：クライアントは無限に待つことはなく、下位のDLOの追加処理が終了する限り、SDLOはすべての操作を最終的に処理する。
• 記録検証を検証済みDLO（VDLO）を介して行う限り、クライアントが処理中に対象DLOに直接記録を追加しても、解決策は依然として頑健であるが、これは今後の課題として残されている。