[論文レビュー] Brief Announcement: Grassroots Distributed Systems: Concept, Examples, Implementation and Applications

Ehud Shapiro|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Distributed systems and fault tolerance被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、接続されたときに相互運用可能な自律的かつ独立してデプロイ可能なコミュニティを許容する、分散型でピアツーピアのアーキテクチャであるグレイスラウズ分散システムを紹介する。ブロックレース（ブロックチェーンの部分順序一般化）を用いてグレイスラウズ配布を形式化し、非同期的かつモバイル環境でも正しさを保証することで、第三者の制御から解放された検閲に強く、ユーザー所有のデジタル社会的・経済的システムを実現する。

ABSTRACT

Informally, a distributed system is grassroots if it is permissionless and can have autonomous, independently-deployed instances - geographically and over time - that may interoperate voluntarily once interconnected. More formally, in a grassroots system the set of all correct behaviors of a set of agents P is strictly included in the set of the correct behaviors of P when they are embedded within a larger set of agents P' ⊃ P. Grassroots systems are potentially important as they may allow communities to conduct their social, economic, civic, and political lives in the digital realm solely using their members' networked computing devices (e.g., smartphones), free of third-party control, surveillance, manipulation, coercion, or rent seeking (e.g., by global digital platforms such as Facebook or Bitcoin). Client-server/cloud computing systems are not grassroots, and neither are systems designed to have a single global instance (Bitcoin/Ethereum with hardwired seed miners/bootnodes), and systems that rely on a single global data structure (IPFS, DHTs). An example grassroots system would be a serverless smartphone-based social network supporting multiple independently-budding communities that can merge when a member of one community becomes also a member of another. Here, we formalize the notion of grassroots distributed systems; describe a grassroots dissemination protocol for the model of asynchrony and argue its safety, liveness, and being grassroots; extend the implementation to mobile (address-changing) devices that communicate via an unreliable network (e.g. smartphones using UDP); and discuss how grassroots dissemination can realize grassroots social networking and grassroots cryptocurrencies. The mathematical construction employs distributed multiagent transition systems to define the notions of grassroots protocols, to specify the grassroots dissemination protocols, and to prove their correctness. The protocols use the blocklace - a distributed, partially-ordered counterpart of the replicated, totally-ordered blockchain.

研究の動機と目的

• 自律的かつ独立してデプロイ可能なコミュニティをサポートする分散アーキテクチャとしてグレイスラウズシステムを形式化すること。
• 非同期的かつ信頼性の低いネットワーク向けに、グレイスラウズ配布プロトコルを設計し、正しさを証明すること。
• 中央集権的なプラットフォームやグローバルな調整に依存しない、実用的応用例（例えばグレイスラウズソーシャルネットワーキングや通貨）を可能にすること。
• アドレスが変化するモバイルデバイスに対応するため、プロトコルを拡張し、アドホックかつ近接性に基づく通信をサポートすること。

提案手法

• 部分的な接続性下でも正しく動作することを定義するため、分散型マルチエージェント遷移系を用いてグレイスラウズシステムを形式化する。
• ブロックレースを導入する——これは、非同期的かつピアツーピアでの配布を可能にする、ブロックチェーンの一般化された分散型部分順序データ構造である。
• 全対全通信を必要としない、エージェントがメッセージを広めるのを許容する「思いやりのある」配布プロトコルを設計する。
• 非同期性下でのプロトコルの正しさを証明し、UDPベースの信頼性の低い通信を用いてモバイルデバイスへの拡張を実現する。
• エージェントは信頼できるピアからのみメッセージを広める「フレンドベース」モデルを採用し、通信オーバーヘッドを削減する。
• エコー／ストップエコーのメカニズムを用いて、グループや金融ネットワーク内のエージェントの動的メンバーシップをサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散システムは、接続されたときにのみ相互運用可能な複数の独立的かつ自律的なコミュニティをどのようにサポートできるか？
• RQ2 グローバルな調整を要しないで、大規模なネットワークに埋め込まれたプロトコルが正しく保たれるための形式的条件は何か？
• RQ3 非同期的かつ信頼性の低い、モバイル環境において、メッセージの配布を効率的かつ正しく実装する方法は何か？
• RQ4 グレイスラウズ配布は、中央集権的信頼やインfraストラクチャに依存しない、分散型ソーシャルネットワークや通貨の実用的応用を可能にするか？
• RQ5 グローバルなデータ構造を用いずに、プライバシーとアクセス制御をどのようにグレイスラウズシステムで強制できるか？

主な発見

• ブロックレースは、全順序を必要とせず、非同期的かつ分散型の配布を可能にする、ブロックチェーンの正しく部分順序一般化されたものである。
• グレイスラウズ配布プロトコルは、外部エージェントを無期限に無視しても、接続されたときに正しく相互作用できることを保証する。
• プロトコルは非同期性下で形式的に正しさが証明されており、アドレスが変化するモバイルデバイスに対しても拡張可能である。
• グレイスラウズソーシャルネットワークは、グループの創設者が友人に対してメッセージを広める仕組みにより実装可能であり、グループ通信が単一のメッセージスレッドとして表示される。
• グレイスラウズ通貨はコインの換金とフレンドベース取引を用いて実装可能で、プロトコルは代替性と信用リスク管理をサポートする。
• システムにより、ユーザーがクラウドプロバイダーまたは中央集権的プラットフォームに依存せずに、完全に自らのデバイス上で動作できるデジタル主権が実現される。