[論文レビュー] Blockclique: scaling blockchains through transaction sharding in a multithreaded block graph

Sébastien Forestier, Vodenicarevic, Damir+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 22被引用数 15

ひとこと要約

Blockcliqueは、T個の並列スレッドにわたって取引をシャーディングすることでブロックチェーンのスループットをスケーリングするマルチスレッドブロックDAGアーキテクチャを提案する。各ブロックは各スレッドから1つの親ブロックを参照する。入力アドレスに基づくシャーディングによる取引の相互運用性を保証し、Nakamotoコンセンサスを拡張することで、現実のネットワーク条件においても1秒あたり10,000件を超える取引を処理し、スティール率が低いことを実現する。

ABSTRACT

Decentralized crypto-currencies based on the blockchain architecture under-utilize available network bandwidth, making them unable to scale to thousands of transactions per second. We define the Blockclique architecture, that addresses this limitation by sharding transactions in a block graph with a fixed number of threads. The architecture allows the creation of intrinsically compatible blocks in parallel, where each block references one previous block of each thread. The consistency of the Blockclique protocol is formally established in presence of attackers. An experimental evaluation of the architecture's performance in large realistic networks demonstrates an efficient use of available bandwidth and a throughput of thousands of transactions per second.

研究の動機と目的

• 利用可能な帯域幅に比べて取引処理効率が著しく低い従来のブロックチェーンが、実際の能力にもかかわらず約5件/秒に制限されている問題を解決する。
• 単一チェーンのブロックチェーンにおけるスケーラビリティのボトルネックを克服し、一貫性やセキュリティを損なわず、並列でのブロック作成を可能にする。
• すべての取引をフルノードが検証できる一方で、取引シャーディングにより高いスループットを実現する、スケーラブルで分散型のブロックチェーンアーキテクチャを設計する。
• 攻撃者が合計ネットワークリソースの45％を制御しても、形式的証明によりプロトコルの一貫性を保証する。
• Nakamotoコンセンサスの自然な拡張であるマルチスレッドブロックグラフを用いることで、ネットワーク帯域幅を効率的に活用し、大規模ネットワークにおいても高い取引スループットを達成できることを示す。

提案手法

• 各ブロックがT個のスレッドのそれぞれから1つの親ブロックを参照するマルチスレッドブロックDAGデータ構造を導入し、スレッド間の依存関係によりグローバルな一貫性を確保する。
• 入力アドレスによる割り当てに基づく取引シャーディングを実装する：取引はその入力UTXOのアドレスに応じてスレッドに割り当てられ、異なるスレッドのブロック同士が本質的に相互運用可能になる。
• NakamotoコンセンサスをマルチスレッドDAGに拡張し、すべてのスレッドにおける累積作業量が最大のチェーンを優先することで、セキュリティおよび最終性の性質を維持する。
• 固定ブロック作成間隔t₀とコンセンサスビットレートC_Bを用いてネットワーク性能をモデル化し、ブロックサイズS_BはC_Bとt₀によって決定される。
• すべてのノードがすべてのスレッドのブロックを検証・処理するため、親ブロック参照を超えたスレッド間通信の必要性を排除する。
• 攻撃的条件下でもプロトコルの一貫性とセキュリティを形式的に証明し、攻撃者が合計ネットワークリソースの45％を制御しても耐性を示すことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一貫性を損なわず、複数のスレッドで並列にブロック作成を可能にすることで、ブロックチェーンアーキテクチャが高スループットを達成できるか？
• RQ2 並列に作成されたブロックが本質的に相互運用可能であるように、取引シャーディングをどのように設計できるか？これにより、二重支出のリスクが排除される。
• RQ3 スレッド間の親ブロック参照を持つマルチスレッドDAGとしてブロックを構造化することで、分散型ブロックチェーンにおいてネットワーク帯域幅をどの程度効率的に活用できるか？
• RQ4 提案されたアーキテクチャにおいて、現実のネットワーク条件（遅延、帯域幅、ノード数など）下で達成可能な最大のコンセンサスビットレートと取引スループットは何か？
• RQ5 攻撃者が合計ネットワークリソースの45％を制御する状況下でも、プロトコルがセキュリティと一貫性をどのように維持できるか？

主な発見

• Blockcliqueアーキテクチャは、現実の帯域幅と遅延を想定した大規模ネットワークシミュレーションにおいて、1秒あたり10,000件を超える取引スループットを達成する。
• T=32スレッド、t₀=32秒、C_B=12 Mb/sの場合、t₀=16秒では確認時間が36秒に、t₀=64秒では142秒にまで増加する。
• 30％のブロック損失（μ=0.3）がある状況でも、スループットは8,070件/秒を維持し、ネットワーク損失に対して高い耐性を示す。
• C_Bを12 Mb/sに設定した場合、最大4,096ノードのネットワークでもスティール率が1％未満に保たれ、高負荷下でも安定したコンセンサスを維持する。
• 低帯域幅環境（B=4 Mb/s）でも、アーキテクチャは最大2 Mb/sのコンセンサスビットレートをサポートし、約2,000件/秒のスループットを達成する。
• このアーキテクチャは、大規模かつ高遅延ネットワークにおいても、利用可能なネットワークリソースを効率的に活用し、ノード帯域幅の理論的限界に近いコンセンサスビットレートを達成する。