[論文レビュー] Building Blocks of Sharding Blockchain Systems: Concepts, Approaches, and Open Problems

Yizhong Liu, Jianwei Liu+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2021

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ノード選択、エポック乱数生成、ノード割り当て、シャーディング内コンセンサス、クロスシャーディング取引処理、シャーディング再構成、動機付けメカニズムの7つのコアコンポonentに、シャーディングブロックチェーンシステムを体系的・モジュラーに分解する手法を提示しており、セキュリティおよびパフォーマンスの向上を図るための概念的枠組みを提供している。

ABSTRACT

Sharding is the prevalent approach to breaking the trilemma of simultaneously achieving decentralization, security, and scalability in traditional blockchain systems, which are implemented as replicated state machines relying on atomic broadcast for consensus on an immutable chain of valid transactions. Sharding is to be understood broadly as techniques for dynamically partitioning nodes in a blockchain system into subsets (shards) that perform storage, communication, and computation tasks without fine-grained synchronization with each other. Despite much recent research on sharding blockchains, much remains to be explored in the design space of these systems. Towards that aim, we conduct a systematic analysis of existing sharding blockchain systems and derive a conceptual decomposition of their architecture into functional components and the underlying assumptions about system models and attackers they are built on. The functional components identified are node selection, epoch randomness, node assignment, intra-shard consensus, cross-shard transaction processing, shard reconfiguration, and motivation mechanism. We describe interfaces, functionality, and properties of each component and show how they compose into a sharding blockchain system. For each component, we systematically review existing approaches, identify potential and open problems, and propose future research directions. We focus on potential security attacks and performance problems, including system throughput and latency concerns such as confirmation delays. We believe our modular architectural decomposition and in-depth analysis of each component, based on a comprehensive literature study, provides a systematic basis for conceptualizing state-of-the-art sharding blockchain systems, proving or improving security and performance properties of components, and developing new sharding blockchain system designs.

研究の動機と目的

• 分散性、セキュリティ、スケーラビリティのブロックチェーン三難問題を、シャーディングを主要なアーキテクチャ的解決策として分析することで解決すること。
• シャーディングブロックチェーンシステムを、明確に定義されたインターフェースと特性を持つモジュラーな機能的コンポーネントに、形式的に分解すること。
• 各コンポーネントについて、既存のアプローチを包括的に分類し、未解決問題と研究ギャップを浮き彫りにすること。
• シャーディング設計における承認遅延やスループット制限といった、セキュリティ脅威とパフォーマンスボトルネックを分析すること。
• コンポーネントレベルの改善とシステムレベルの組み合わせを促進するため、具体的な未解決問題と研究方向性を提示することで、今後の研究を導くこと。

提案手法

• 150件以上のシャーディングブロックチェーンシステムの体系的文献レビューを実施し、設計パターンとアーキテクチャ的原則を抽出・分類する。
• 各コンポーネントが果たす役割、インターフェース、必要な特性を明確に定義した7つの機能的コンポーネントへのモジュラーなアーキテクチャ的分解を提唱する。
• 統一された概念的枠組みを用いて各コンポーネントを分析し、システムモデルおよび悪意ある攻撃者能力に関する仮定を特定する。
• 各コンポーネントの既存アプローチを調査し、乱数生成や割り当てに用いられる暗号技術、コンセンサスプロトコル、クロスシャーディング調整メカニズムを含む。
• コンポーネントレベルのセキュリティおよびパフォーマンス特性を評価し、ビザンチン障害耐性、スループット、遅延、承認遅延に焦点を当てる。
• コンポーネントレベルの分析を統合し、セキュアかつ効率的なシャーディングシステムの組み合わせを可能にする、組み合わせ的設計手法を構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シャーディングブロックチェーンシステムを構成する基本的な機能的コンポーネントは何か。また、それらはどのように相互に連携するか。
• RQ2 ノード割り当てやクロスシャーディング取引処理などの、各コンポーネントの既存アプローチは、設計、セキュリティ仮定、パフォーマンスにおいてどのように異なるか。
• RQ3 特にセキュリティと承認遅延の観点から、現在のシャーディング設計における主要な未解決問題と脆弱性は何か。
• RQ4 コンポーネントレベルの改善を、安全かつスケーラブルなエンドツーエンドのシャーディングブロックチェーンシステムにどのように組み合わせられるか。
• RQ5 シャーディングブロックチェーンシステム分野の最先端技術を前進させるために、最も有望な今後の研究方向性は何か。

主な発見

• 本稿は、シャーディングブロックチェーンシステムに不可欠な7つのコアコンポーネントを同定し、形式的に定義することで、システム設計および分析のための標準化された概念的枠組みを提供している。
• エポック乱数生成やクロスシャーディング取引処理といった各コンポーネントには、セキュリティ、効率性、障害耐性のトレードオフが異なる多数の既存アプローチが存在する。
• 研究では、クロスシャーディング取引処理に顕著な未解決問題が判明しており、特に高い承認遅延や悪意あるシャーディング連携に対する脆弱性が挙げられる。
• ノード割り当てや乱数生成が弱い場合に顕著に現れる、シャーディング乗っ取り攻撃やSybil攻撃といったセキュリティリスクは、現在の設計においても依然として広範に存在する。
• インターフェースシャーディング通信や最終承認遅延といったパフォーマンスボトルネックは、高スループットのシャーディングシステムですら深刻な懸念事項である。
• モジュラー分解により、システム全体のセキュリティを損なわずにコンポーネント単位での改善が可能となり、今後の研究開発に向けたスケーラブルな道筋が提供される。