[論文レビュー] Database Perspectives on Blockchains

Sara Cohen, Aviv Zohar|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2018

Data Management and Algorithms参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ブロックチェーンをデータストレージ層として形式的理論的基盤を確立し、2つの核心的課題を分析する。 (1) 保留中の取引およびブロックチェーンの状態を考慮した場合、否定制約が破られる可能性があるかどうかを特定すること、(2) 保留中の取引の部分集合と整合的または分離可能な取引を生成すること。主な貢献は、分散型で合意形成に依存する環境におけるデータ整合性とユーザーの意図を保証するための複雑性理論的枠組みの構築である。

ABSTRACT

Modern blockchain systems are a fresh look at the paradigm of distributed computing, applied under assumptions of large-scale public networks. They can be used to store and share information without a trusted central party. There has been much effort to develop blockchain systems for a myriad of uses, ranging from cryptocurrencies to identity control, supply chain management, etc. None of this work has directly studied the fundamental database issues that arise when using blockchains as the underlying infrastructure to manage data. The key difference between using blockchains to store data and centrally controlled databases is that transactions are accepted to a blockchain via a consensus mechanism. Hence, once a user has issued a transaction, she cannot be certain if it will be accepted. Moreover, a yet unaccepted transaction cannot be retracted by the user, and may be appended to the blockchain in the future. This causes difficulties as the user may wish to reissue a transaction, if it was not accepted. Yet this data may then become appended twice to the blockchain. In this paper we present a database perspective on blockchains by introducing formal foundations for blockchains as a storage layer that underlies a database. The main issue that we tackle is uncertainty in transaction appending that is a result of the consensus mechanism. We study two flavors of transaction appending problems: (1) the complexity of determining whether it is possible for a denial constraint to be contradicted, given the state of the blockchain, pending transactions, and integrity constraints and (2) the complexity of generating transactions that are mutually (in)consistent with given subsets of pending transactions. Solving these problems is critical to ensure that users can issue transactions consistent with their intentions. Finally, we chart important directions for future work.

研究の動機と目的

• ブロックチェーンにおける取引の不確実性という根本的課題に対処すること。これは、ユーザーが保留中の取引の承認または却下を保証できない状況を指す。
• 特定の合意形成プロトコルに依存しない、ブロックチェーンのデータ整合性レイヤーをデータベースシステムの基盤として形式化すること。
• 発行された取引が整合性制約を破ったり、保留中の取引と競合したりしないように保証するための理論的ツールを開発すること。
• ユーザーの意図を尊重し、望ましくないデータ状態を避ける安全で自動化された取引生成を可能にすること。
• とりわけ整合性、スケーラビリティ、およびユーザーレベルの制御に関する点で、ブロックチェーンベースのデータベース管理における未解決の研究問題を同定すること。

提案手法

• 合意形成レイヤーとデータ整合性レイヤーを持つシステムとしてブロックチェーンデータベースを形式化し、後者により合法的なデータ状態とその進化が制御されることを定義する。
• 否定制約の満たし方という問題を導入する。これは、現在のブロックチェーン状態と保留中の取引を前提とした場合、制約が破られる可能性があるかどうかを特定することを指す。
• 既存の保留中の取引と競合しないようにするため、$({ m T}_{ m in}, { m T}_{ m out})$-分離取引の生成を提案する。
• さまざまなデータベース制約の下で、両問題（否定制約の満たし方と取引分離）の計算複雑性を分析する。
• 生成された取引にユーザー定義の制約（例：クエリベースやドメイン固有の要件）を適用するためのフレームワークの拡張を行う。
• 実世界のシナリオ（例：ライトニングネットワークを含むオフチェーンチャネル、可換性のある取引集合）にモデルを適用し、スケーラビリティと整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のデータと保留中の取引を前提とした場合、将来のブロックチェーン状態のいずれかが否定制約を破る可能性があるかどうかを特定する計算複雑性は何か？
• RQ2 与えられた保留中の取引の部分集合と相互に整合的であり、他の取引と競合しないようにするアルゴリズム的取引生成はどのように実現できるか？
• RQ3 クエリ条件やドメイン固有のルールなどのユーザー定義制約の下での取引生成の複雑性は何か？
• RQ4 提案された枠組みは、オフチェーン取引が悪意ある中間状態に対して保護される必要があるライトニングネットワークのような高度なプロトコルをサポートするためにどのように拡張できるか？
• RQ5 可換性のある取引集合（任意の順序で処理可能）を特定するための理論的基盤は何か？これは合意形成の効率を向上させる。

主な発見

• ブロックチェーンにおける否定制約の満たし方の問題は、NP完全であることが示され、不確実性下でのデータ整合性を保証する上で本質的な計算的困難性を示している。
• $({ m T}_{ m in}, { m T}_{ m out})$-分離取引の生成も計算的に困難であり、NPハードの複雑性クラスに属することから、安全な取引合成の挑戦が浮き彫りになっている。
• このフレームワークにより、ブロックチェーンの将来の可能性のある状態について形式的推論が可能となり、ユーザーが制約違反を引き起こさずに取引を発行できるかどうかを検証できる。
• このモデルは、保留中の取引と競合しない取引を自動的に生成するツールの構築に理論的基盤を提供する。これによりユーザーの意図が保たれる。
• 分析から、ライトニングネットワークのようなオフチェーンプロトコルは、オンチェーンデータベース問題と類似した整合性の推論に依存していることが判明し、共通の理論的基盤があることが示唆された。
• 本論文は、ブロックチェーンデータベース管理における重要な未解決問題を同定した。これには、制約付き取引生成、可換性のある取引集合の検出、およびビットコインウォレットにおける高度な未使用出力管理が含まれる。