[論文レビュー] Consensus in the Age of Blockchains

Shehar Bano, Alberto Sonnino+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 83被引用数 188

ひとこと要約

この論文はブロックチェーンの合意プロトコル（PoW、PoX、ハイブリッド）を網羅的に調査し、それらを比較するための評価フレームワークを提供します。

ABSTRACT

The blockchain initially gained traction in 2008 as the technology underlying bitcoin, but now has been employed in a diverse range of applications and created a global market worth over $150B as of 2017. What distinguishes blockchains from traditional distributed databases is the ability to operate in a decentralized setting without relying on a trusted third party. As such their core technical component is consensus: how to reach agreement among a group of nodes. This has been extensively studied already in the distributed systems community for closed systems, but its application to open blockchains has revitalized the field and led to a plethora of new designs. The inherent complexity of consensus protocols and their rapid and dramatic evolution makes it hard to contextualize the design landscape. We address this challenge by conducting a systematic and comprehensive study of blockchain consensus protocols. After first discussing key themes in classical consensus protocols, we describe: first protocols based on proof-of-work (PoW), second proof-of-X (PoX) protocols that replace PoW with more energy-efficient alternatives, and third hybrid protocols that are compositions or variations of classical consensus protocols. We develop a framework to evaluate their performance, security and design properties, and use it to systematize key themes in the protocol categories described above. This evaluation leads us to identify research gaps and challenges for the community to consider in future research endeavours.

研究の動機と目的

• 設計選択を文脈化するために、古典的な合意とブロックチェーン専用の合意を調査する。
• PoW から PoX およびハイブリッドスキームへの進化を整理する。
• 合意プロトコルのセキュリティ、性能、設計特性を評価する統一フレームワークを開発する。
• ブロックチェーン合意における研究のギャップと課題を特定し、今後の研究を指針とする。

提案手法

• PoW、PoX、ハイブリッド合意プロトコルの体系的文献調査。
• 中核的メカニズムに基づいて PoW、PoX、ハイブリッドのプロトコルを分類する。
• セキュリティ（整合性、検閲耐性、DoS耐性）、性能（スループット、スケーラビリティ、遅延）、設計上の考慮事項）に焦点を当てた評価フレームワークの開発。
• 代表的な学術的・信頼性のある情報源と補助的な seed bibliographies を根拠とする分析の基盤を築く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的な合意の主要な設計テーマは何で、これらはブロックチェーンにどのように適用されるのか？
• RQ2 PoW、PoX、ハイブリッドプロトコルはセキュリティ、性能、設計特性の点でどう比較されるのか？
• RQ3 ブロックチェーン合意にはどのようなギャップと課題が存在し、今後の研究が対処すべき課題は何か？
• RQ4 共通の評価フレームワークは、異なる次元で多様な合意設計を比較するのにどう役立つのか？

主な発見

• 古典的な合意概念がオープンなブロックチェーン環境へどのように拡張されるかのマッピングを提供する。
• PoW、PoX、ハイブリッドスキーム全体でセキュリティ、性能、設計を対象とする共通の評価フレームワークを導入する。
• ブロックチェーン合意におけるスケーラビリティ、エネルギー使用、インセンティブ整合性を含む広範な研究ギャップと実用的な課題を特定する。
• 合意アプローチの多様性と、厳格で標準化された評価モデルの必要性を強調する。