[論文レビュー] BlockSim-Net: A Network Based Blockchain Simulator

Nandini Agrawal, R Prashanthi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2020

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 4

ひとこと要約

BlockSim-Net は、プルーフ・オブ・ワークブロックチェーンにおける伝達遅延および分散ダイナミクスを現実的にモデル化できる、高性能でネットワークベースのブロックチェーンシミュレータです。複数のノードにまたがる分散ネットワーク環境をシミュレートすることで、自己利益的マイニングや防御策の評価が可能になり、BlockSim などの単一CPUシミュレータに比べて、現実のネットワーク複雑性をより的確に捉えられます。

ABSTRACT

Since its proposal by Eyal and Sirer (CACM '13), selfish mining attack on proof-of-work blockchains has been studied extensively in terms of both improving its impact and defending against it. Before any defense is deployed in a real world blockchain system, it needs to be tested for security and dependability. However, real blockchain systems are too complex to conduct any test on or benchmark the developed protocols. Some simulation environments have been proposed recently, such as BlockSim (Maher et al., '20). However, BlockSim is developed for the simulation of an entire network on a single CPU. Therefore, it is insufficient to capture the essence of a real blockchain network, as it is not distributed and the complications such as propagation delays that occur in reality cannot be simulated realistically enough. In this work, we propose BlockSim-Net, a simple, efficient, high performance, network-based blockchain simulator, to better reflect reality.

研究の動機と目的

• 単一CPUで動作する既存のブロックチェーンシミュレータが、伝達遅延などの現実のネットワークダイナミクスを捉えられていないという限界を解決すること。
• レイテンシーやメッセージ伝達の観点から、ブロックチェーンネットワークの真の挙動を反映する分散型で高性能なシミュレーションフレームワークを開発すること。
• 本番環境のブロックチェーンシステムへの導入前に、自己利益的マイニング攻撃および防御機構の現実的なテストを可能にすること。
• 従来のシミュレータに欠落していたネットワークレベルの複雑性をモデル化することで、ブロックチェーンプロトコルの評価の忠実性を向上させること。

提案手法

• BlockSim-Net は、複数のノードにまたがるピアツーピアブロックチェーンネットワークをエミュレートする分散シミュレーションフレームワークとして実装されています。
• 実世界のレイテンシ特性を反映するように設定可能な遅延分布を用いて、ネットワーク伝達遅延をモデル化しています。
• プラグイン可能なコンSENSUSアルゴリズムおよび攻撃モデル（自己利益的マイニングを含む）をサポートしており、敵対的状況下でのプロトコル挙動の評価が可能です。
• イベント駆動型シミュレーションを用いることで、ネットワーク全体におけるメッセージ伝達およびブロック伝播を効率的に管理しています。
• 水平スケーリングが可能であり、分散コンピューティングリソース上で大規模なネットワークシミュレーションを実行できます。
• 既存のブロックチェーンプロトコルと統合可能で、カスタマイズ可能なネットワークトポロジーやノード動作をサポートしています。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的なネットワーク伝達遅延の取り入れが、ブロックチェーンシステムにおける自己利益的マイニング攻撃の成功確率にどのように影響するか？
• RQ2 BlockSim-Net などの分散シミュレーションフレームワークは、単一CPUシミュレータに比べて、ブロックチェーンネットワークのダイナミクスをどの程度的確に捉えられるか？
• RQ3 異なるネットワークトポロジーや遅延分布は、コンセンサスプロトコルの性能およびセキュリティにどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 BlockSim-Net は、自己利益的マイニング攻撃に対する防御機構のシミュレーションおよび評価を効果的に実行できるか？

主な発見

• BlockSim-Net は、伝達遅延とそのブロック伝播への影響を的確に捉えており、BlockSim などの単一CPUシミュレータでは正確にモデル化できない点を明らかにしました。
• シミュレータは、自己利益的マイニング攻撃の現実的な評価を可能にし、ネットワーク遅延が攻撃成功確率に顕著に影響することを示しました。
• 分散ネットワーク環境をシミュレートすることで、BlockSim-Net は、中央集権モデルが予測するよりも、伝達遅延が自己利益的マイニングの有効性を顕著に高めることを明らかにしました。
• フレームワークは高いパフォーマンスとスケーラビリティを示しており、複雑なブロックチェーンプロトコルのテストに不可欠な大規模シミュレーションをサポートしています。