[論文レビュー] Distributed Nonblocking Commit Protocols for Many-Party Cross-Blockchain Transactions

Xinying Wang, Olamide Timothy Tawose+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 8被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、中央集権的な調整なしに任意の数のブロックチェーンにまたがるクロスブロックチェーン取引のための分散型でブロッキングを回避するコミットプロトコルであるCBTを提案する。2フェーズコミット（2PC）をハートビートメカニズムで拡張することにより、CBTはライブネスを確保し、2つのブロックチェーン間では3.6%のオーバーヘッドで、32個以上のブロックチェーンでは1%未塔のオーバーヘッドで線形スケーラビリティを達成する。

ABSTRACT

The interoperability across multiple blockchains would play a critical role in future blockchain-based data management paradigm. Existing techniques either work only for two blockchains or requires a centralized component to govern the cross-blockchain transaction execution, neither of which would meet the scalability requirement. This paper proposes a new distributed commit protocol, namely extit{cross-blockchain transaction} (CBT), for conducting transactions across an arbitrary number of blockchains without any centralized component. The key idea of CBT is to extend the two-phase commit protocol with a heartbeat mechanism to ensure the liveness of CBT without introducing additional nodes or blockchains. We have implemented CBT and compared it to the state-of-the-art protocols, demonstrating CBT's low overhead (3.6\% between two blockchains, less than $1\%$ among 32 or more blockchains) and high scalability (linear scalability on up to 64-blockchain transactions). In addition, we developed a graphic user interface for users to virtually monitor the status of the cross-blockchain transactions.

研究の動機と目的

• 複数参加者によるクロスブロックチェーン取引のためのスケーラブルで分散型かつブロッキングを回避するプロトコルの不足を解消すること。
• ボトルネックと単一障害点を生じる中央集権的なブローカーやハブに依存しないようにすること。
• 異種のブロックチェーンの任意の数にまたがる原子的で一貫性のある取引をサポートすること。
• リレーショナルデータベースのSQLに似た標準化され、ポータブルなインターフェースを提供すること。
• 実装と使いやすいグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を通じて実用的妥当性を示すこと。

提案手法

• 協調者障害を検出・回復可能にするために、古典的な2フェーズコミット（2PC）プロトコルにハートビートメカニズムを拡張する。
• 障害発生時に同じブロックチェーン内から新しい協調者を選択する動的協調者再選挙プロセスを採用し、ライブネスを保証する。
• ブロックチェーン参加者間のメッセージ渡しによる分散型の取引準備およびコミット意思決定を実現する。
• 中央機関を避けるが、原子的および一貫性を維持する分散型コンセンサスメカニズムを実装する。
• ブロックチェーン間での取引状態およびメッセージフローを追跡するための軽量なモニタリングレイヤーを導入する。
• 取引状態の可視化と非エキスパートユーザーによるクロスブロックチェーン取引の監視・操作を可能にするグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を開発する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の数のブロックチェーンにまたがるクロスブロックチェーン取引のための分散型でブロッキングを回避するコミットプロトコルを設計できるか？
• RQ2 特に協調者障害が発生した場合に、中央集権的な協調者がない状況でもライブネスをどのように保証できるか？
• RQ3 障害のない環境下で、このようなプロトコルのパフォーマンスオーバーヘッドは、理想化された2フェーズコミット（2PC）プロトコルと比較してどの程度か？
• RQ4 ブロックチェーンおよび取引の数が増加するに従って、プロトコルはどのようにスケーリングするか？
• RQ5 標準化され、使いやすいインターフェースを構築することで、クロスブロックチェーン取引の実用的導入および監視が可能になるか？

主な発見

• CBTは最大64個のブロックチェーンにわたる線形スケーリングを達成し、テストされたすべてのワークロードで理想性能の3%以内のスケーリング要因を達成する。
• 2つのブロックチェーン間での取引実行において、理想の2PCプロトコルと比較してわずか3.6%のオーバーヘッドにとどまる。
• 32個以上のブロックチェーンでは、オーバーヘッドが1%未塔に低下し、大規模環境下での高いパフォーマンス効率を示す。
• 8個以上のブロックチェーンから、AC3（中央集権的ハブベースのプロトコル）よりもCBTが優れたパフォーマンスを示す。AC3はハブのボトルネックにより性能が劣化する。
• 協調者障害時でも、同じブロックチェーン内から新しい協調者を動的再選挙することで、ブロッキングを完全に回避する。
• 開発されたGUIにより、取引状態およびメッセージフローのリアルタイム監視が可能となり、非エキスパートユーザーの使いやすさが向上する。