[論文レビュー] Bitcoin-NG: A Scalable Blockchain Protocol

Ittay Eyal, Adem Efe Gencer+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2015

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 111

ひとこと要約

Bitcoin-NG は、リーダー選挙とトランザクションのシリアル化を分離することで、スケーラブルなブロックチェーンプロトコルを提案する。これにより、ノードの処理能力に制限されるスループットと、ネットワーク伝播遅延に制限されるレイテンシに限定された性能が実現される。1エポックあたり複数のブロックを発行できる単一のリーダーを許容することで、最適なスケーラビリティを達成するとともに、Bitcoin の信頼モデルとセキュリティ特性を維持する。1,000ノードを用いた大規模なエミュレーションによって、その有効性が検証された。

ABSTRACT

Cryptocurrencies, based on and led by Bitcoin, have shown promise as infrastructure for pseudonymous online payments, cheap remittance, trustless digital asset exchange, and smart contracts. However, Bitcoin-derived blockchain protocols have inherent scalability limits that trade-off between throughput and latency and withhold the realization of this potential. This paper presents Bitcoin-NG, a new blockchain protocol designed to scale. Based on Bitcoin's blockchain protocol, Bitcoin-NG is Byzantine fault tolerant, is robust to extreme churn, and shares the same trust model obviating qualitative changes to the ecosystem. In addition to Bitcoin-NG, we introduce several novel metrics of interest in quantifying the security and efficiency of Bitcoin-like blockchain protocols. We implement Bitcoin-NG and perform large-scale experiments at 15% the size of the operational Bitcoin system, using unchanged clients of both protocols. These experiments demonstrate that Bitcoin-NG scales optimally, with bandwidth limited only by the capacity of the individual nodes and latency limited only by the propagation time of the network.

研究の動機と目的

• Bitcoin のブロックチェーンプロトコルにおける根本的なスケーラビリティ制限に対処すること。これは、固定されたブロック間隔とサイズによるスループットとレイテンシのトレードオフに起因する。
• Bitcoin の信頼モデルを維持しつつ、現実のネットワークおよびノード制約下でもほぼ最適なパフォーマンスを達成できるプロトコルを設計すること。
• Nakamoto コンセンサスプロトコルのセキュリティおよび効率性を評価するための定量的指標を導入すること。
• 実際のクライアントと現実的なネットワーク条件を想定した大規模なエミュレーションテストベッドを用いて、Bitcoin-NG のスケーラビリティおよび耐障害性を実証的に検証すること。

提案手法

• Bitcoin-NG は時間をエポックに分割し、各エポックにおいてランダムかつ希なプロセスで1人のリーダーが選出される。
• エポック中、リーダーは単独でトランザクションをシリアル化し、複数のブロックを発行することで、トランザクションスループットとブロック間隔を分離する。
• リーダー選挙は前向きであるため、システム全体の凍結が発生するBitcoinのブロック間隔中の問題を回避し、継続的なトランザクション処理を可能にする。
• プロトコルはByzantine Fault Toleranceを維持し、Bitcoinと同一の暗号プリミティブと信頼仮定を用いる。
• 合意形成プロトコルのパフォーマンスを定量的に評価するための新規指標（例：プロトコルのグッドプット、レイテンシ、マイニングパワー分配の公平性）を導入する。
• 実際のインターネットのレイテンシを再現する1,000ノードのエミュレーション環境を用いて大規模な実験を実施し、BitcoinおよびBitcoin-NGのクライアントを変更せずにプロトコルの忠実性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンプロトコルは、分散性やセキュリティを損なわずに、最適なスループットと低レイテンシを達成できるか？
• RQ2 リーダー選挙とトランザクションシリアル化の分離は、システムのパフォーマンスおよびマイニングパワー分配の公平性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 従来のスケーラビリティ向上策（ブロックサイズの増加やブロック間隔の短縮）は、中心化リスクを高め、マイニング効率を低下させる程度はどの程度か？
• RQ4 ネットワークおよびノード制約下でも、Bitcoin の信頼モデルを維持しつつ、ほぼ理想に近いパフォーマンスを実現できるプロトコルは可能か？
• RQ5 生のトランザクションスループットを超えた定量的指標を用いて、合意形成プロトコルを客観的に評価することは可能か？

主な発見

• Bitcoin-NG は、個々のノードの処理能力に制限されるスループットと、ネットワーク伝播遅延に制限されるレイテンシに限定された最適なスケーラビリティを達成する。
• Bitcoin においてブロック間隔を短くしたりブロックサイズを大きくしたりすることは、公平性の低下とマイニングパワーの中心化を引き起こし、分散性を損なう。
• Bitcoin-NG は、トランザクションシリアル化とブロック作成を分離することで、こうした公平性と効率性の問題を回避し、高いマイニングパワー利用効率を維持する。
• 1,000ノードを用いた大規模なエミュレーション（運用中のBitcoinネットワークの15％程度）により、同一のネットワーク条件下でBitcoin-NGがBitcoinを上回るレイテンシとスループットを達成したことが示された。
• プロトコルはByzantine Fault Toleranceを維持し、極端なノードの入れ替え（churn）に対しても耐性を示すが、Bitcoin と同一の信頼モデルを保つ。
• 導入された指標は、合意形成プロトコルの比較に定量的基盤を提供し、パrameterチューニングに関する議論を推測ではなく実証データに基づくものにすることを可能にする。