[論文レビュー] Blockchain Consensuses 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 10

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、その特性を統一的な分類法で整理し、100以上の暗号資産を分析してトレンドと限界を特定する。性能、セキュリティ、スケーラビリティの観点から、システム要件に基づいたアルゴリズム選択を支援する意思決定ツリーを提案し、多様なブロックチェーン設計における性能、セキュリティ、スケーラビリティを体系的に評価するフレームワークを提供する。

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

• 既存の研究においてブロックチェーン合意形成アルゴリズムに関する包括的分析が不足しているという問題に取り組む。
• 体系的な比較を可能にするために、合意形成アルゴリズムの特性を統一的に分類する。
• 実世界の暗号資産における主要な合意形成アルゴリズムの性能およびセキュリティへの影響を分析する。
• 主要な暗号資産における合意形成メカニズムの採用傾向を特定する。
• アプリケーション固有の基準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提供する。

提案手法

• セキュリティ、スケーラビリティ、最終性を含む、合意形成アルゴリズムの特性の包括的分類法の設計。
• 合意形成メカニズム別に分類された、上位100以上の暗号資産を体系的に分析する。
• 耐障害性、遅延、スループット、エネルギー効率の観点から、各アルゴリズムの挙動を評価する。
• 合意形成の設計選択とその実世界での性能結果との関係をマッピングする。
• 分散性、最終性、スループットなどの主要なシステム要件に基づいた意思決定ツリーの構築。
• 複数の次元にわたって合意形成アルゴリズムを視覚的に比較するための表形式表現の使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる合意形成アルゴリズムは、セキュリティ、スケーラビリティ、最終性の観点でどのように異なるか？
• RQ2 主要な暗号資産において、合意形成メカニズムの採用にどのような傾向が見られるか？
• RQ3 既存の合意形成アルゴリズムにおいて、性能とセキュリティの間の主なトレードオフは何か？
• RQ4 特定のブロックチェーンユースケースに最も適した合意形成アルゴリズムはどれか？
• RQ5 合意形成アルゴリズムの設計選択は、実世界のブロックチェーンシステムのパフォーマンスにどのように影響するか？

主な発見

• 本サーベイは、特性分析の包括性と主要な合意形成アルゴリズムのカバー範囲に、先行研究において顕著なギャップが存在することを特定した。
• 主要な暗号資産の間で、合意形成メカニズムの多様性が顕著に観察され、特にステーキング証明（Proof of Stake）およびその変種が最近の導入において支配的である。
• スループットや最終性時間といったパフォーマンス指標は顕著に異なることが判明し、一部の新しいアルゴリズムでは1秒未塔の最終性と高いスループットを達成している。
• Sybil攻撃やEclipse攻撃に対する耐性といったセキュリティ特性は、既存のアルゴリズム間で一貫して文書化されていない。
• 意思決定ツリーは、アプリケーション要件を適切な合意形成アルゴリズムにマッピングする実用的なツールを提供し、選定プロセスの透明性を向上させた。
• 表形式の比較から、あらゆる次元で優れたパフォーマンスを発揮する単一の合意形成アルゴリズムは存在しないことが明らかになった。これは、文脈に応じた設計選択の重要性を強化する。