[論文レビュー] Building Scalable Decentralized Payment Systems

John R. Adler, Mikerah Quintyne-Collins|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 31被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、親ブロックチェーンのセキュリティと分散性を保ちながら、高い取引スループットを達成するため、マージドコンセンサスを用いた許可なしのサイドチェーンを活用したオプティミスティックロールアップベースのレイヤー2スケーリングソリューションを提案する。信頼最小限の資金移動を可能にし、ブロックプロパゲーションとクライアント実装を最適化することで、フルノードのリソース要件を増加させることなく、現在のブロックチェーンの限界を超えてスケーリングを実現する。

ABSTRACT

Increasing the transactional throughput of decentralized blockchains in a secure manner has been the holy grail of blockchain research for most of the past decade. This paper introduces a scheme for scaling blockchains while retaining virtually identical security and decentralization, colloquially known as optimistic rollup. We propose a layer-2 scaling technique using a permissionless side chain with merged consensus. The side chain only supports functionality to transact UTXOs and transfer funds to and from a parent chain in a trust-minimized manner. Optimized implementation and engineering of client code, along with improvements to block propagation efficiency versus currently deployed systems, allow use of this side chain to scale well beyond the capacities exhibited by contemporary blockchains without undue resource demands on full nodes.

研究の動機と目的

• 分散型ブロックチェーンの低スループット（現在3–15 TPSに制限）を是正すること。同時に、強いセキュリティと分散性を維持すること。
• メインネットプロトコルの変更を回避するレイヤー2スケーリングソリューションを設計すること。これにより、導入とアップグレードが容易になること。
• 親チェーンとサイドチェーン間での信頼最小限の相互運用性（資産移動）を保証すること。
• クライアントコードとブロックプロパゲーションを最適化し、フルノードのリソース使用量を削減すること。
• 信頼不能性、安全性、ライブネスといったブロックチェーンの基本的概念を形式的に定義し、研究開発における曖昧さを低減すること。

提案手法

• 許可なしのサイドチェーンを採用。このサイドチェーンはUTXO取引のみをサポートし、親チェーンとの信頼最小限の移動を可能にする。
• マージドコンセンサスを採用。サイドチェーンはコミットチェーン方式により、親チェーンのセキュリティを借用する。
• オプティミスティックロールアップモデルを適用。取引はデフォルトで有効とみなされ、不正証明の提出を許容するチャレンジ期間が設けられる。
• アセット移動のためのワンウェイまたはツーワイエイプ・ペグを実現するため、ヤッキングスキームを用いる。これにより、仲介者への信頼を最小限に抑える。
• クライアント側の実装とブロックプロパゲーションを最適化し、フルノードにおける遅延とリソース使用量を削減する。
• 暗号ハッシュ関数とデジタル署名を用いて、チェーン間でのデータ整合性と検証可能性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レイヤー2のサイドチェーンは、分散性やセキュリティを犠牲にすることなく、ブロックチェーンのスループットを拡張可能か？
• RQ2 親チェーンとサイドチェーン間で、どのようにして信頼最小限のクロスチェーン移動を実現できるか？
• RQ3 フルノードの負荷を増大させることなく、高スループットのサイドチェーンを実現するために、どのようなエンジニアリング最適化が必要か？
• RQ4 最小限の仮定で、サイドチェーンのセキュリティモデルを形式的に定義・保証できるか？
• RQ5 ブロックプロパゲーションの効率性は、分散型システムにおけるスケーラブルかつ低遅延の取引処理を可能にする上で、どのような役割を果たすか？

主な発見

• マージドコンセンサスを採用した提案されたサイドチェーンは、親チェーンのプロトコルを変更することなく、ビットコインやイーサリアムなどの現在のブロックチェーンをはるかに超えるスループットを達成する。
• コミットチェーンメカニズムにより親チェーンのセキュリティを借用することで、セキュリティおよび分散性の特性を親チェーンと同等に維持する。
• 最適化されたクライアントコードとブロックプロパゲーションにより、フルノードのリソース要件が削減され、参加の拡大とスケーラビリティが可能になる。
• ヤッキングスキームにより、信頼できる仲介者に依存せずに、ユーザーがチェーン間で資産を移動できる信頼最小限の資金移動が実現される。
• 安全性、ライブネス、信頼不能性の形式的定義により、将来のブロックチェーンシステムの評価に厳密な基盤が提供され、意味的曖昧さを回避できる。
• この解決策は、プラズマ（例：大量の退出、証明の肥大化）やチャネル（例：固定参加者、オンライン要件）といった先行手法の欠陥を回避する。