[論文レビュー] Directed Acyclic Graph Based Blockchain Systems

Anand Devarajan, Erkan Karabulut|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、従来のブロックチェーンと比較して、有向非巡回グラフ（DAG）ベースのブロックチェーンシステムの性能、スケーラビリティ、セキュリティについての比較分析を提示している。DAGベースのシステム、たとえばIOTA、Nano、DAGCoinは、ほぼゼロの手数料、1分未満の取引時間、高いスループット（例：10,000 TPS以上）を達成しており、これはIoTやマイクロトランザクションに最適である。一方、低トラフィック攻撃に対する脆弱性や汎用的なスマートコントラクトの欠如といった主な制限要因も特定している。

ABSTRACT

Blockchain technology has been revolutionizing many fields since last decade. Its true potential is not practically utilized yet. In a very short period of time, it has evolved twice - Smart contracts and Directed Acyclic Graph (DAG). DAG based blockchains currently referred to as Blockchain 3.0 solves many issues in the current conventional blockchain technologies including transaction fees, transaction approval times and scalability. In this paper, we present a comparative analysis of blockchain implementations based on DAG including IOTA, NxT, Byteball, Nano, DAGCoin, Fantom, XDAG and Caixapay. We discuss limitations of both conventional and DAG based blockchains and suggest when to prefer DAG based blockchains.

研究の動機と目的

• DAGベースのブロックチェーンシステムの性能とスケーラビリティを、従来のブロックチェーンと比較して評価すること。
• セキュリティ、分散性、スマートコントラクトサポートの観点から、従来型およびDAGベースのブロックチェーンの制限要因を特定すること。
• ユースケース要件に基づいて、DAGベースのブロックチェーンを従来のブロックチェーンよりも優先選択するための意思決定フレームワークを提供すること。
• 新興のDAGベースのシステムの成熟度とセキュリティリスクを評価すること。特に、合意形成メカニズムや暗号基盤における脆弱性を含む。

提案手法

• IOTA、NxT、Byteball、Nano、DAGCoin、Fantom、CaixaPayの7つの代表的なDAGベースのブロックチェーンシステムの比較分析を実施した。
• 取引スループット（TPS）、取引手数料、確認時間、合意形成メカニズム、分散性のレベルに基づいて、各システムを評価した。
• 取引が直接的に以前の取引を参照・承認する構造である、基盤となるDAG構造を分析した。
• CaixaPayおよびDAGCoinにおける「ワーニッシュ」選択や、IOTAにおけるコーディネータの役割を含む、合意形成メカニズムを検討した。
• 低トラフィック攻撃への感受性や、Curl-P-27のような独自の暗号関数における脆弱性を含む、セキュリティリスクを評価した。
• スケーラビリティおよび取引量要件に基づいてDAGベースのシステムを選択するための意思決定フレームワーク（付録A）を提示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAGベースのブロックチェーンは、取引スループット、手数料、確認時間の観点で、どのように従来のブロックチェーンを上回っているか？
• RQ2 特に低トラフィック環境下において、DAGベースのブロックチェーン設計におけるセキュリティと分散性のトレードオフの本質的要因は何か？
• RQ3 どのような条件下で、DAGベースのブロックチェーンを、従来のパブリックブロックチェーンよりも優先して採用すべきか？
• RQ4 現在のDAGベースのシステムは、スマートコントラクトをどの程度サポートしているのか。また、その実装に伴うパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ5 既存のDAGベースのブロックチェーン実装における、重要な脆弱性とスケーラビリティリスクは何か？

主な発見

• DAGベースのブロックチェーンは、従来のブロックチェーンと比較して著しく高い取引スループットを達成しており、DAGCoinは7 TPSのBitcoinと比較して10,000 TPS以上をサポートしている。
• DAGベースのシステムでは手数料がほぼゼロであり、10,000ドルの送金においてDAGCoinでは約0.0005ドル、Bitcoinでは3.35ドルである。
• DAGシステムにおける取引確認時間は通常30秒未塔であり、PoWベースのブロックチェーンと比較して数分から数時間に及ぶ場合が多い。
• IOTAやその他のDAGシステムは、取引量が低い場合に大重量攻撃に対して脆弱であることが判明しており、これはスケーラビリティとセキュリティのトレードオフを示している。
• 多くのDAGベースのシステムは、依然としてコーディネータのような中央集権的要素に依存しており（例：IOTAのコーディネータ）、完全な分散性を損なっている。
• 一般的なスマートコントラクトは、ほとんどすべてのDAGシステムで未対応であり、一部の実装（例：Fantom）ではEVMに類似した実行によりパフォーマンスオーバーヘッドが生じている。