[論文レビュー] Distributed Cross-Blockchain Transactions

Dongfang Zhao, Tonglin Li|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 9被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、スケーラブルでマルチパーティのクロスブロックチェーン取引を可能にする、非ブロッキングで完全に分散型のコミットプロトコルRBPを提案する。中央集権的なハブを必要とせず、任意のブロックチェーン間で原子的（atomic）な動作を実現する。スケールにおいて、2PC（2PC）と比較して3.6–4%のわずかなオーバーヘッドで、最終的整合性の性質のおかげで遅延の増加が最小限に抑えられ、標準化された分散型ブロックチェーン相互運用性の基盤を築く一歩となる。

ABSTRACT

The interoperability across multiple or many blockchains would play a critical role in the forthcoming blockchain-based data management paradigm. In particular, how to ensure the ACID properties of those transactions across an arbitrary number of blockchains remains an open problem in both academic and industry: Existing solutions either work for only two blockchains or requires a centralized component, neither of which would meet the scalability requirement in practice. This short paper shares our vision and some early results toward scalable cross-blockchain transactions. Specifically, we design two distributed commit protocols and, both analytically and experimentally, demonstrate their effectiveness.

研究の動機と目的

• ブロックチェーンベースのデータ管理において、スケーラブルで分散型かつ原子的なクロスブロックチェーン取引プロトコルの不足を解消すること。
• 中央集権的ハブ、二当事者に限定された設計、性能の低さ、ブロックチェーンの動的ブランチング行動と互換性のない既存のソリューションの制限を克服すること。
• 任意のブロックチェーン間でマルチパーティ取引をサポートしながら、原子的かつ耐久性を維持する非ブロッキングで分散型のコミットプロトコル（RBP）の設計と評価を行うこと。
• BlockLiteプラットフォーム上での実装と評価を通じて、プロトコルのスケーラビリティとパフォーマンスを実証すること。
• 多様なブロックチェーンエコシステムにおけるクロスブロックチェーン取引プロトコルの将来の標準化の基盤を築くこと。

提案手法

• 中央集権的コordinaterやハブを必要とせず、クロスブロックチェーン取引を処理する非ブロッキングで分散型のコミットプロトコルRBP（Recovery-Based Protocol）を設計する。
• ブランチングに起因するロールバックの可能性を検出するため、スライディングウィンドウメカニズムを用いて取引を管理し、最終的整合性を保証する。
• 準備、事前コミット、コミット、確認の4フェーズ通信モデルを採用し、より長いチェーンによって無効化される可能性がある短いチェーン上の取引を処理するための回復メカニズムを備える。
• クラッシュ故障モデルに依存し、最終的に回復可能であると仮定する。この仮定では、ノードの交換が可能で、取引中における故障が永続的に継続しないと想定する。
• Javaを用いてブロックチェーン論理、ネットワーク通信、Java SwingベースのGUIを備えたBlockLiteシステムにプロトコルを実装する。
• ETC20およびTPC-Hワークロードを用いて、64ブロックチェーン環境下でRBPを2PC（理想ケース）およびAC3（ハブベース）と比較して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の数の異種ブロックチェーン間で、原子的クロスブロックチェーン取引を実現する完全に分散型で非ブロッキングのコミットプロトコルを設計できるか？
• RQ2 大規模ブロックチェーン環境において、RBPのような分散型プロトコルのパフォーマンスは、中央集権的または理想化された2PCモデルと比べてどの程度か？
• RQ3 RBPにおける最終的整合性は、厳密整合性モデルと比較して、遅延とスケーラビリティの向上のため、整合性をどの程度放棄するのか？
• RQ4 ブロックチェーンの数が増加するに従い、RBPのオーバーヘッドは理論的上限（2PC）に対してどの程度になるか？
• RQ5 RBPは中央集権的コンponentなしで効果的にスケーリング可能か？また、ETC20およびTPC-Hのような実世界ワークロード下での性能はいかがなものか？

主な発見

• RBPは2～32ブロックチェーンにおいて、理想の2PCプロトコルと比較してわずか3.6%～4%のオーバーヘッドに抑えられ、パフォーマンスの著しい低下がないことが示された。
• 64ブロックチェーンにおいては、RBPのオーバーヘッドはほとんど無視できるほど小さくなり、中央集権的ボトルネックが存在しない強力な線形スケーラビリティを示している。
• AC3は中央集権的ハブに依存しているが、8ブロックチェーンを過ぎる段階でRBPおよび2PCと比較して性能が劣り始め、ハブベース設計のスケーラビリティの限界を確認した。
• ブランチングが発生しない場合、RBPの遅延はSBP（ベースライン）よりも顕著に低く、4τ + λfにまで短縮される。
• チェーン再編成によって短いチェーン上の取引が最終的にロールバックされる場合でも、RBPは原子的、耐久性、分離性を維持している。
• RBPの最終的整合性モデルにより、高いスループットと低遅延が実現され、取引スループットは|T_i| / δ_iとして計算される。ここでδ_iはブロックチェーンC_iの時間ウィンドウを表す。