[論文レビュー] Deconstructing the Blockchain to Approach Physical Limits

Vivek Bagaria, Sreeram Kannan+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 25被引用数 37

ひとこと要約

Prismは、Nakamotoのブロックチェーンをコア機能に分解し、物理的限界に近づける新しいプルーフ・オブ・ワークブロックチェーンプロトコルである。ネットワーク容量Cに達する最適なスループットを達成し、確認遅延を伝搬遅延Dに比例させ、帯域幅・遅延積CDに指数的に小さくなる確認誤差確率を実現しながらも、50%の悪意あるハッシュパワーに対するセキュリティを維持する。

ABSTRACT

Transaction throughput, confirmation latency and confirmation reliability are fundamental performance measures of any blockchain system in addition to its security. In a decentralized setting, these measures are limited by two underlying physical network attributes: communication capacity and speed-of-light propagation delay. Existing systems operate far away from these physical limits. In this work we introduce Prism, a new proof-of-work blockchain protocol, which can achieve 1) security against up to 50% adversarial hashing power; 2) optimal throughput up to the capacity C of the network; 3) confirmation latency for honest transactions proportional to the propagation delay D, with confirmation error probability exponentially small in CD ; 4) eventual total ordering of all transactions. Our approach to the design of this protocol is based on deconstructing the blockchain into its basic functionalities and systematically scaling up these functionalities to approach their physical limits.

研究の動機と目的

• 通信容量Cと伝搬遅延Dといった物理的ネットワーク制約によるブロックチェーンプロトコルの根本的性能限界を解明すること。
• Bitcoinに類似するシステムに内在する、確認遅延と誤差確率のトレードオフを克服すること。
• 最適なスループットと最小の確認遅延を達成しながらも、強固なセキュリティ保証を維持するプロトコルを設計すること。
• ブロックチェーンの基本的機能（例：ブロック伝搬、合意形成）を体系的にスケーリングし、物理的限界に近づけること。
• 最大50%のハッシュパワーを持つ攻撃者に対しても、最終的にトランザクションの完全な順序付けを保証すること。

提案手法

• Nakamotoのブロックチェーンを原子的機能（ブロック作成、伝搬、合意形成）に分解する。
• ネットワーク利用度を最大化し、遅延を最小化するようにブロックを伝搬させる新しいプロトコルを設計する。
• 帯域幅・遅延積に基づく確認ルールを用い、CDに指数的に小さくなる確認誤差確率を保証する。
• CDに比例する未処理確認票の数に依存する動的確認メカニズムを実装する。
• 確認遅延をD（光速遅延）に最小限に抑えるために、画期的なブロック構造と伝搬戦略を導入する。
• 特にバランス攻撃および情報遮断攻撃を想定した悪意ある行動の確率的分析を適用し、セキュリティおよび性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンのスループットと確認遅延における根本的物理的限界は何か？
• RQ2 ネットワーク容量Cに達する最適なスループットを実現しながらも、低遅延を維持できるブロックチェーンプロトコルは可能か？
• RQ3 確認誤差確率を帯域幅・遅延積CDに指数的に小さくできるか？
• RQ4 物理的限界に近づくプロトコルでも、50%の悪意あるハッシュパワーに対するセキュリティを維持できるか？
• RQ5 バランス攻撃および情報遮断攻撃などの能動的攻撃下でも、プロトコルの性能はどのようになるか？

主な発見

• Prismは、ネットワーク容量Cに達する最適なトランザクションスループットを達成し、理論的上限に近づく。
• 確認遅延は伝搬遅延Dに比例し、遅延の物理的下限に達している。
• 確認誤差確率は帯域幅・遅延積CDに指数的に小さく、低遅延でも強固な信頼性を実現できる。
• 最大50%のハッシュパワーを持つ攻撃者に対しても、Prismは低遅延と高い信頼性を維持し、Bitcoinの最長チェーンプロトコルを上回る性能を示す。
• 所定の確認信頼性εに対して、Prismの遅延はεが小さくなるに従いほぼ一定であるのに対し、Bitcoinの遅延は顕著に増加する。
• シミュレーション結果から、Prismの二重支出トランザクションの確認遅延は、特に高い信頼性要件（例：ε = e⁻²⁰）下でBitcoinを下回ることが示された。