[論文レビュー] CDAG: A Serialized blockDAG for Permissioned Blockchain

Himanshu Gupta, D. Janakiram|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 17被引用数 11

ひとこと要約

CDAGは、許可ブロックチェーン向けに、非重複するバケツに分割されたトランザクションと分散型タイムバリアを用いた、シリアル化されたブロックDAG構造を提案する。これにより、並列でのブロック提案を可能にし、高スルーレートかつ低遅延のトランザクション処理が実現される。最終的な承認は2分未塔で達成され、2,000件以上のトランザクション/秒を達成する。これはDAGのスケーラビリティとスマートコントラクトに必要な全順序を組み合わせたものである。

ABSTRACT

Blockchain is maintained as a global log between a network of nodes and uses cryptographic distributed protocols to synchronize the updates. As adopted by Bitcoin and Ethereum these update operations to the ledger are serialized, and executed in batches. To safeguard the system against the generation of conflicting sets of updates and maintain the consistency of the ledger, the frequency of the updates is controlled, which severely affects the performance of the system. This paper presents Converging Directed Acyclic Graph (CDAG), as a substitute for the chain and DAG structures used in other blockchain protocols. CDAG allows multiple parallel updates to the ledger and converges them at the next step providing finality to the blocks. It partitions the updates into non-intersecting buckets of transactions to prevent the generation of conflicting blocks and divide the time into slots to provide enough time for them to propagate in the network. Multiple simultaneous updates improve the throughput of CDAG, and the converging step helps to finalize them faster, even in the presence of conflicts. Moreover, CDAG provides a total order among the blocks of the ledger to support smart contracts, unlike some of the other blockDAG protocols. We evaluate the performance of CDAG on Google Cloud Platform using Google Kubernetes Engine, simulating a real-time network. Experimental results show that CDAG achieves a throughput of more than 2000 transactions per second and confirms them well in under 2 minutes. Also, the protocol scales well in comparison to other permissioned protocols, and the capacity of the network only limits the performance.

研究の動機と目的

• 許可環境における従来のブロックチェーンおよびブロックDAGプロトコルのスケーラビリティと最終性の制限を解決すること。
• 複数の非衝突ブロックを並列に提案できる仕組みを導入し、高スルーレートを実現すること。
• スマートコントラクトの互換性を確保するための全順序を保証しながら、同時にオリファングレートを低く抑えること。
• 収束ブロックメカニズムを用いて確認遅延を短縮し、迅速な最終性を達成すること。
• ネットワーク混雑状態下でも効率的にスケーリングでき、リアルタイム展開において悪意あるノードに耐性を持つこと。

提案手法

• トランザクションを重複のないバケツに分割することで、並列ブロック提案中の衝突を防止する。
• 分散型タイムバリアを用いて時間帯をスロットに分割し、ブロックの十分な伝搬時間を保証する。
• 各スロット内で複数の非衝突ブロックが提案され、各ステップの終了時にそれらが1つの収束ブロック（C-Block）に収束する。
• C-Blockがレジャーディスクリプション全体に全順序を確立し、スマートコントラクトの決定的実行を可能にする。
• 一時的なフォークを解消するため、重さの重いチェーンプロトコルの変種を用いてトランザクションを不可逆的に確認する。
• Google Cloud Platform上でKubernetesを用いたリアルタイムネットワークシミュレーションを用いてプロトコルを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドブロックDAG構造は、スマートコントラクトに必要な全順序を維持しつつ、高スルーレートを達成できるか？
• RQ2 トランザクションのバケツ化とタイムバリアの使用が、ブロック伝搬とオリファングレートに与える影響は何か？
• RQ3 さまざまなネットワーク負荷下でのプロトコルのスルーレートと確認遅延の上限は何か？
• RQ4 検証者およびキーパーの悪意ある行動に対して、プロトコルはどの程度耐性を示すか？
• RQ5 ノード数の増加に伴い、プロトコルは効率的にスケーリングできるか、かつ低遅延を維持できるか？

主な発見

• 実験的評価において、CDAGは2,000件以上のトランザクション/秒のスルーレートを達成した。
• リアルタイムネットワーク環境下でも、トランザクションの最終性が2分未塔で達成された。
• より長い時間スロットにより、ブロック伝搬とネットワーク安定性が向上し、オリファングレートが顕著に低下した。
• 悪意あるノードに対してもプロトコルは耐性を示し、検証者およびキーパーの20％までが不正であっても、120秒以内にトランザクションを確認できた。
• ネットワークサイズの増加に伴い、パフォーマンスは良好にスケーリングされ、下位のネットワークインfraの能力にのみ制限された。
• 効率的なトランザクションバケツ化とタイムバリア同期のおかげで、低遅延と高スルーレートを両立した。