[論文レビュー] Consensus Mechanism Design based on Structured Directed Acyclic Graphs

Jiahao He, Guangju Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、構造的有向非巡回グラフ（DAG）を用いたコンSENSUSメカニズムを提案し、セキュリティや分散性を損なわずブロックチェーンのスケーリングを実現する。強連結なDAGにナカモトチェーンを埋め込み、重複処理を最小限に抑えるトランザクション割り当て手法を採用することで、1秒あたり最大1,179.6件の取引を処理可能となり、合計遅延は約1,021秒（17分）に達する。これは、30％の悪意あるハッシュパワー下でも810秒のセキュア遅延を確保するものである。

ABSTRACT

We introduce a structure for the directed acyclic graph (DAG) and a mechanism design based on that structure so that peers can reach consensus at large scale based on proof of work (PoW). We also design a mempool transaction assignment method based on the DAG structure to render negligible the probability that a transaction being processed by more than one miners. The result is a significant scale-up of the capacity without sacrificing security and decentralization.

研究の動機と目的

• 高需要にもかかわらず取引件数（TPS）に制限がかかるブロックチェーンシステムにおけるスケーラビリティのボトル neck を解消すること。
• チェーン構造のブロックチェーンを超えるスループットを実現しつつ、強固なセキュリティと分散性を維持すること。
• 取引の承認遅延を短縮し、低手数料取引の承認公平性を向上させること。
• 連続的なブロック生成を可能にすることでマイニングパワーの集中を緩和し、マイニングプールへの依存度を低下させること。
• DAGベースのメモリプール割り当て手法により、取引が複数のマイナーに処理される確率を無視できるほどに低減すること。

提案手法

• プローブ・オブ・ワーク（PoW）によるセキュリティ保証を維持しつつ、ナカモトチェーンを埋め込んだ構造的で強連結なDAGを設計すること。
• DAG構造に基づくメモリプール内トランザクション割り当て手法を採用し、1つの取引が複数のマイナーによって処理される可能性を最小限に抑えること。
• マイルストーン生成をポアソン過程としてモデル化し、0または1のステッキングタグを用いて誠実または悪意あるブロック生成を表現すること。
• ポアソン到着レートと伝送遅延をもとに、長期的に1タグが付与されたマイルストーンの割合を推定する確率的モデルを適用すること。
• 100万回のサンプルパスをシミュレートして、所望のセキュリティレベル（例：10^-3未満の失敗率）を満たすために必要なセキュア遅延を特定すること。
• 合計遅延を3つの要素に分解する：キューイング遅延（W₁）、感染遅延（W₂）、セキュア遅延（W₃）。それぞれを解析的およびシミュレーションベースのアプローチでモデル化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAGベースの構造は、ナカモトコンセンサスのセキュリティを維持しつつ、並列処理を可能にするようにどのように設計できるか？
• RQ2 PoW下でのDAGベースコンセンサスシステムの最大実現可能スループットは何か？また、ネットワークパラメータに応じてどのようにスケーリングされるか？
• RQ3 DAGにおけるトランザクション割り当てを最適化することで、重複処理を最小限に抑え、効率を向上させることは可能か？
• RQ4 悪意あるハッシュパワーのレベルが変化する条件下で、失敗確率を10^-3未満に抑えるために必要なセキュア遅延は何か？
• RQ5 キューイング遅延、感染遅延、セキュア遅延は、提案されたシステムにおける合計取引承認時間にどのように寄与するか？

主な発見

• 1,000人の誠実なマイナーが1秒間に1.2ブロックずつ生成し、メモリプール割り当て効率が98.3％であると仮定した場合、理論的最大スループットは約1,179.6件/秒に達する。
• 悪意あるマイナーが30％のハッシュパワーを占める状況下では、失敗確率を10^-3未満に抑えるために810秒のセキュア遅延が必要となる。
• 合計取引承認遅延は約1,021秒（17分以上）に達する。これは、188秒のキューイング遅延、23秒の感染遅延、810秒のセキュア遅延から構成される。
• 10％のマイナーが悪意を持つと仮定した場合、マイルストーンの長期平均で1タグが付与された割合（誠実なブロック生成を示す）は92.8％と推定される。
• シミュレーション結果から、失敗頻度はセキュア遅延が延長するにつれて急速に減少することが示され、10％の悪意あるパワー下では130秒、30％の悪意あるパワー下では810秒のセキュア遅延が必要で、失敗率が10^-3未満に達する。
• 提案されたDAG構造により、小規模なブロックサイズ（1ブロックあたり1件の取引）で連続的なブロック生成が可能となり、暗号的パズルの難易度が低下し、ネットワークの応答性が向上する。