[論文レビュー] Blockchain Consensus Algorithms: A Survey

Md Sadek Ferdous, Mohammad Jabed Morshed Chowdhury+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2020

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ブロックチェーンの合意形成アルゴリズムに関する包括的なサーベイを提示し、インcentivized（例：PoW、PoS、DPoS）および非インセンティブ型に分類する独自の分類法を導入している。100以上の暗号通貨における実装を含め、各アルゴリズムの特性、トレードオフ、および実世界の応用について詳細に分析している。主な貢献は、最適な合意形成メカニズムの選定を支援する視覚的で表形式の比較と意思決定ツリーであり、マーケットキャピタル化の観点ではPoWが依然として支配的である一方、PoSおよびDPoSはスケーラビリティに優れるが、未解決のセキュリティ課題を抱えていることが強調されている。

ABSTRACT

In recent years, blockchain technology has received unparalleled attention from academia, industry, and governments all around the world. It is considered a technological breakthrough anticipated to disrupt several application domains. This has resulted in a plethora of blockchain systems for various purposes. However, many of these blockchain systems suffer from serious shortcomings related to their performance and security, which need to be addressed before any wide-scale adoption can be achieved. A crucial component of any blockchain system is its underlying consensus algorithm, which in many ways, determines its performance and security. Therefore, to address the limitations of different blockchain systems, several existing as well novel consensus algorithms have been introduced. A systematic analysis of these algorithms will help to understand how and why any particular blockchain performs the way it functions. However, the existing studies of consensus algorithms are not comprehensive. Those studies have incomplete discussions on the properties of the algorithms and fail to analyse several major blockchain consensus algorithms in terms of their scopes. This article fills this gap by analysing a wide range of consensus algorithms using a comprehensive taxonomy of properties and by examining the implications of different issues still prevalent in consensus algorithms in detail. The result of the analysis is presented in tabular formats, which provides a visual illustration of these algorithms in a meaningful way. We have also analysed more than hundred top crypto-currencies belonging to different categories of consensus algorithms to understand their properties and to implicate different trends in these crypto-currencies. Finally, we have presented a decision tree of algorithms to be used as a tool to test the suitability of consensus algorithms under different criteria.

研究の動機と目的

• 多様なシステムやユースケースにわたるブロックチェーンの合意形成アルゴリズムに関する包括的で実用的な分析が不足しているという問題に対処すること。
• 特にセキュリティ、パフォーマンス、スケーラビリティとの関係において、既存の合意形成アルゴリズムの主な特性とトレードオフを特定・分類すること。
• 100以上の暗号通貨を分析し、合意形成メカニズムの採用傾向を特定するとともに、実世界への影響を評価すること。
• 分散化、スループット、セキュリティなどの特定のシステム要件に基づいて合意形成アルゴリズムを選択するための意思決定ツリーを構築すること。
• 先行サーベイが深さと包括性に欠けるというギャップを埋めるために、分類に基づく体系的で包括的な合意形成メカニズムの比較フレームワークを提供すること。

提案手法

• インセンティブ型対非インセンティブ型の二段階分類を提案：さらに、メカニズムタイプ（例：PoW、PoS、DPoS、BFT変種、ハイブリッド、新規）に細分化する。
• セキュリティ、スケーラビリティ、スループット、遅延、分散性といった包括的な特性を用いて、各合意形成カテゴリを分析する。
• 異なるブロックチェーンシステムおよび暗号通貨における合意形成アルゴリズムを視覚的に比較する表形式の要約を提示する。
• 上位100以上の暗号通貨を対象とした大規模な実証的分析を実施し、それらを合意形成メカニズムにマッピングすることで、採用傾向を特定する。
• 信頼モデル、パフォーマンス、分散性などのシステム要件に基づいた意思決定ツリーを構築し、合意形成アルゴリズムの選定を支援する。
• Hyperledgerを基盤とするフレームワーク（SBFT、PoET、その他の非インセンティブ型合意形成メカニズムを含む）を含む、パubbリックおよびプライベートブロックチェーンシステムのレビューと比較を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 主なブロックチェーン合意形成アルゴリズムの主な特性とトレードオフは何か。それらはシステムのパフォーマンスやセキュリティにどのように影響を与えるか。
• RQ2 PoW、PoS、DPoS、BFTなどの異なる合意形成メカニズムは、スケーラビリティ、スループット、およびnothing-at-stakeや長距離攻撃などの攻撃に対する耐性において、どのように比較されるか。
• RQ3 100以上の上位暗号通貨における合意形成メカニズムの採用傾向にどのようなトレンドが見られ、それらは実世界の優先事項をどのように反映しているか。
• RQ4 既存の合意形成アルゴリズムの制限は何であり、なぜセキュリティ、パフォーマンス、分散性の理想的なバランスがまだ達成されていないのか。
• RQ5 意思決定フレームワークは、開発者やアーキテクトが特定のブロックチェーンユースケースに最適な合意形成アルゴリズムを選定するのをどのように支援できるか。

主な発見

• エネルギー消費が高く、スループットが低いにもかかわらず、マーケットキャピタル化の観点では、Proof of Work（PoW）が依然として最も支配的である。
• Proof of Stake（PoS）およびDelegated PoS（DPoS）は、PoWに比べて大幅に高いスループットと低い遅延を実現しているが、nothing-at-stake、買収、長距離攻撃などの未解決のセキュリティ課題を抱えている。
• ハイブリッド合意形成メカニズム（例：PoR、PoB、PoS-Velocity）および新規アプローチ（例：PoC、PoI）は有望であるが、広範な展開と標準化が不足している。
• Hyperledgerのようなプライベートブロックチェーンで使用される非インセンティブ型合意形成アルゴリズム（例：SBFT、PoET、Tendermint）は、高いスループットと低い遅延を達成しているが、事前認証済み参加者を必要とするため、分散性が制限される。
• 分析の結果、セキュリティ、パフォーマンス、分散性の理想的なバランスを達成する合意形成アルゴリズムは存在しないことが判明し、理想的な解決策は依然として見つかっていない。
• 提案された意思決定ツリーは、特定のブロックチェーンシステム要件に適合した合意形成アルゴリズムの選定を支援する実用的で基準に基づいたツールを提供している。