[論文レビュー] Chain of Trust: Can Trusted Hardware Help Scaling Blockchains?

Hung Dang, Anh Dinh+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 35被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、信頼できるハードウェアを活用してブロックチェーン合意形成プロトコルのスケーラビリティを向上させるために、'スケールアップはスケールダウンによって行う'および'合意形成メッセージを優先する'の2つの設計原則を提案する。これらの原則により、Hyperledger Fabricでは最大7倍のスループット向上が達成され、シャーディングプロトコルではシャーディングの構築コストが最大32倍まで削減される。ネットワークの拡大に伴ってもシステムの運用を維持できる。

ABSTRACT

As blockchain systems proliferate, there remains an unresolved scalability problem of their underlying distributed consensus protocols. Byzantine Fault Tolerance (BFT) consensus protocols offer high transaction throughput, but can only support small networks. Proof-of-Work (PoW) consensus protocol, on the other hand, can support thousands of nodes, but at the expense of poor transaction throughput. Two potential approaches to address these scalability barriers are by relaxing the threat model, or by employing sharding technique to deal with large networks. Nonetheless, their effectiveness on data-intensive blockchain workloads remains to be seen. In this work, we study the use and effectiveness of trusted hardware on scaling distributed consensus protocols, and by their extension, blockchain systems. We first analyze existing approaches that harness trusted hardware to enhance scalability, and identify their limitations. Drawing insights from these results, we propose two design principles, namely scale up by scaling down and prioritize consensus messages, enabling the consensus protocols to scale. We illustrate the two principles by presenting optimizations that improve upon state-of-the-art solutions, and demonstrate via our extensive evaluations that they indeed offer better scalability. In particular, integrating our optimizations into Hyperledger Fabric achieves up to 7x higher throughput, while enabling the system to remain operational as the network expands. Another optimization that we introduce to Hyperledger Sawtooth allows the system to sustain high throughput as the network grows. Finally, our new design for sharding protocols reduces the cost of shard creation phase by up to 32x.

研究の動機と目的

• ブロックチェーン合意形成プロトコルのスケーラビリティ制限、特にネットワーク規模と取引スループットのトレードオフを解決すること。
• 信頼できるハードウェアが、ビザンチンフォールトトレランス（BFT）およびプルーフ・オブ・ワーク（PoW）合意形成プロトコルにおいて、スケーラビリティを効果的に向上させられるかを調査すること。
• 既存の信頼できるハードウェアベースのアプローチにおける制限を特定し、より優れたスケーラビリティを実現するための設計原則を導出すること。
• これらの原則を用いて、Hyperledger Fabric や Sawtooth といった既存のブロックチェーンシステムを最適化し、より高いスループットとスケーラビリティを達成すること。

提案手法

• 2つの設計原則を導入する：'スケールアップはスケールダウンによって行う'（ノードごとのオーバーヘッドを低減）および'合意形成メッセージを優先する'（メッセージ処理効率の向上）。
• これらの原則を適用し、Hyperledger Fabric の最適化を実施。合意形成メッセージの処理遅延を低減し、スループットを向上。
• ハードウェアで強制される整合性と機密性を活用して、シャーディングの構築コストを最小限に抑える信頼できるハードウェア保護型シャーディングプロトコルを設計。
• 信頼実行環境（TEEs）を用いてメッセージの優先順位を強制し、合意形成プロセスにおける個々のノードへの信頼を低減。
• 実際の展開環境において、さまざまなネットワーク規模とワークロードを想定して、提案された最適化を評価。
• 最新のソリューションと比較し、スループットとスケーラビリティの向上を定量的に評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できるハードウェアは、BFTおよびPoW合意形成プロトコルにおけるスケーラビリティのボトルネックを効果的に緩和できるか？
• RQ2 'スケールアップはスケールダウンによって行う'および'合意形成メッセージを優先する'といった設計原則は、大規模ブロックチェーンにおける合意形成効率をどのように向上させるか？
• RQ3 信頼できるハードウェアを用いることで、特にシャーディングの構築フェーズにおいて、シャーディングプロトコルのオーバーヘッドをどの程度低減できるか？
• RQ4 Hyperledger Fabric や Sawtooth といった実際のブロックチェーンシステムに、これらのハードウェア最適化設計を適用した場合、どの程度のパフォーマンス向上が達成できるか？
• RQ5 ネットワーク規模の拡大に伴って、信頼できるハードウェアの統合が、システムの可用性とセキュリティをどのように維持するか？

主な発見

• 提案された最適化を Hyperledger Fabric に統合した結果、最大7倍の取引スループット向上が達成され、より大きなネットワーク規模をサポートできた。
• Hyperledger Sawtooth における最適化設計は、ネットワーク規模の拡大に伴っても高いスループットを維持でき、水平スケーラビリティの向上を示した。
• 新規に設計したシャーディングプロトコルは、従来のアプローチと比較して、シャーディング構築フェーズのコストを最大32倍まで削減した。
• 信頼できるハードウェアの活用により、より効率的なメッセージ優先順位付けが可能になり、合意形成の遅延が低減し、スループットが向上した。
• 提案された設計原則は、セキュリティとパフォーマンスのバランスを効果的に実現し、負荷の増加に伴ってもシステムの運用を維持した。
• 評価結果から、信頼できるハードウェアが、従来の合意形成プロトコルの制限を超えてブロックチェーンシステムをスケーリングするための重要な要因であることが確認された。