[論文レビュー] ChainifyDB: How to Blockchainify any Data Management System

Felix Schuhknecht, Ankur Sharma+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

ChainifyDBは、Whatever-LedgerConsensus（WLC）モデルを用いて、コンSENSUSをトランザクションの順序とは分離することで、既存の異種のデータベース管理システム（DBMS）にブロックチェーン機能を『ブロックチェーン化』する新しいブロックチェーンレイヤーを導入する。トランザクションの順序ではなく実行効果にコンセンサスをとることで、決定的実行や改ざん防止のローカルストレージを前提としない高スループットで耐障害性の高い、多様なDBMSの統合を可能にし、Fabricより最大6倍のスループットを達成する。また、状態のずれに対しても回復が可能である。

ABSTRACT

Today's permissioned blockchain systems come in a stand-alone fashion and require the users to integrate yet another full-fledged transaction processing system into their already complex data management landscape. This seems odd as blockchains and traditional DBMSs share large parts of their processing stack. Thus, rather than replacing the established data systems altogether, we advocate to simply 'chainify' them with a blockchain layer on top. Unfortunately, this task is far more challenging than it sounds: As we want to build upon heterogeneous transaction processing systems, which potentially behave differently, we cannot rely on every organization to execute every transaction deterministically in the same way. Further, as these systems are already filled with data and being used by top-level applications, we also cannot rely on every organization being resilient against tampering with its local data. Therefore, in this work, we will drop these assumptions and introduce a powerful processing model that avoids them in the first place: The so-called Whatever-LedgerConsensus (WLC) model allows us to create a highly flexible permissioned blockchain layer coined ChainifyDB that (a) is centered around bullet-proof database technology, (b) makes even stronger guarantees than existing permissioned systems, (c) provides a sophisticated recovery mechanism, (d) has an up to 6x higher throughput than the permissioned blockchain system Fabric, and (e) can easily be integrated into an existing heterogeneous database landscape.

研究の動機と目的

• 既存のデータ管理インfra構造にスタンドアロンのブロックチェーンシステムを導入する際の高い統合コストと複雑さに対処すること。
• 非決定的動作を示すか、改ざんの恐れがある既存の異種DBMS上で、安全でスケーラブルかつ耐障害性のあるブロックチェーン機能を提供すること。
• 許可ブロックチェーン設計における決定的トランザクション実行および不変のローカルストレージを前提とする仮定に依存しないこと。
• データ移行やアプリケーションの再実装を要せず、既存の多様なデータベース環境にシームレスに統合可能なブロックチェーンレイヤーを設計すること。
• 組織が状態のずれを検出し、ネットワーク全体を停止せずに回復できる回復メカニズムを提供すること。

提案手法

• 実行中の非決定的動作を仮定しないように、コンセンサスをパイプラインの最終段階に移動させるWhatever-LedgerConsensus（WLC）モデルを導入する。
• 順序-実行-コンセンサス（OEC）処理モデルを実装し、トランザクションの順序や実行論理ではなく、最終的な状態効果にコンセンサスをとる。
• 実行結果の暗号的ハッシュを用いて状態のずれを検出し、不一致が検出された際に最新のチェックポイントに戻すリカバリメカニズムを設計する。
• 任意の2名、全3名など、柔軟なコンセンサスポリシー（例：Any-2, All-3）をサポートし、一部の組織が回復中または遅延している場合でも、合計で多数派が現在の状態に合意していればネットワークが進行可能であるようにする。
• トランザクションおよびコンセンサスメッセージの真正性と整合性を保証するため、複数段階にわたり暗号署名と検証を実装する。
• 下位のDBMS上で競合しないトランザクションを同時に実行できるようにすることで、並列実行を活用し、スループットを最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 決定的実行を前提とせず、改ざんの恐れがある異種のDBMS上で、完全な実行セマンティクスの制御を必要とせずにブロックチェーンレイヤーを構築できるか？
• RQ2 異なるDBMS間で一貫性と耐障害性を確保しつつ、トランザクションの順序ではなくシステム状態の効果にコンセンサスをとる方法は何か？
• RQ3 ブロックチェーン化されたデータベースシステムにおける暗号演算と並列実行の性能オーバーヘッドはどの程度で、どのように最小限に抑えられるか？
• RQ4 1つ以上の組織がデータ破損や処理遅延を起こした場合、状態のずれと回復はどのように処理されるか？
• RQ5 ブロックサイズとコンセンサスポリシーの変更が、異種環境におけるシステムスループットとライブネスに与える影響は何か？

主な発見

• ChainifyDBは、効率的な並列トランザクション実行のおかげで、許可ブロックチェーンシステムHyperledger Fabricよりも最大6倍の高いスループットを達成する。
• 署名や検証などの暗号演算はスループットにたった7–8.5%のオーバーヘッドしか与えず、性能への影響が最小限であることが示された。
• データ破損や非決定的実行によって生じる状態のずれを、システムが正常に検出し、最新のチェックポイントからリカバリを開始することで一貫性を回復する。
• 遅延や障害のある組織が存在する異種環境でも、Any-2などのコンセンサスポリシーにより、他の組織が継続的に進行できるため、ネットワークのライブネスが維持される。
• 同種環境では、状態のずれからの回復は回復中の組織にのみ影響し、ネットワーク全体にペナルティを課さない。回復時間は約4秒で完了する。
• ブロックサイズを拡大することで、並列実行の活用度が向上し、スループットが向上する。性能はブロックサイズに対して対数的にスケーリングする。