[論文レビュー] Dynamic Distributed Storage for Scaling Blockchains

Ravi Kiran Raman, Lav R. Varshney|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2017

Caching and Content Delivery被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、秘密分散と暗号化を用いた動的分散ストレージ方式を提案し、トランザクションの断片をノード間で分散して保存することで、ブロックチェーンのストレージコストを削減し、情報理論的セキュリティを達成する。この方式により、ノードごとのストレージ量を元のサイズの一部に削減でき、計算集約的なマイニングを排除することでエネルギー消費を削減し、動的ゾーン割り当てと整合性チェックによりデータの整合性を向上させる。

ABSTRACT

Blockchain uses the idea of storing transaction data in the form of a distributed ledger wherein each node in the network stores a current copy of the sequence of transactions in the form of a hash chain. This requirement of storing the entire ledger incurs a high storage cost that grows undesirably large for high transaction rates and large networks. In this work we use the ideas of secret key sharing, private key encryption, and distributed storage to design a coding scheme such that each node stores only a part of the entire transaction thereby reducing the storage cost to a fraction of its original cost. When further using dynamic zone allocation, we show the coding scheme can also improve the integrity of the transaction data in the network over current schemes. Further, block validation (bitcoin mining) consumes a significant amount of energy as it is necessary to determine a hash value satisfying a specific set of constraints; we show that using dynamic distributed storage reduces these energy costs.

研究の動機と目的

• 各ノードが完全なレジストリを保存する必要があることによる、ブロックチェーンのストレージコストの持続不可能な増加に対処する。
• ビットコイン型ブロックチェーンにおけるプルーフ・オブ・ワークのマイニングに関連するエネルギー消費を削減する。
• 計算の困難性の仮定に依存せずに、データの整合性と機密性を強化する。
• 高いトランザクション負荷下でもセキュリティと効率性を維持できるスケーラブルで動的なストレージアーキテクチャを設計する。
• カバレッジと回復の最適化を図るゾーン割り当て戦略を通じて、実用的な展開を可能にする。

提案手法

• 情報理論的秘匿分散を用いて、トランザクションデータを複数のノードに分散して保存する。
• 保存された断片の機密性を保証するため、秘密鍵暗号化を適用する。
• 完全グラフをマッチングに分解するグラフ分解に基づく動的ゾーン割り当て戦略を実装し、最適なカバレッジと整合性を達成する。
• 従来のプルーフ・オブ・ワークを、軽量なハッシュ化と整合性チェックに置き換えることで、計算コストを低減する。
• 再帰的でないサンプリングを用いて、有効なハッシュ値を得るための期待される試行回数をモデル化し、ビットコインのブルートフォースアプローチと比較してコスト削減を示す。
• 整合性チェックとブラックボックス形式のエンコード/デコードを用いて、ピアが他の者のコード断片を学習できないようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 秘密分散と暗号化を用いてトランザクションデータをノード間で分散保存することで、ブロックチェーンのストレージコストを削減できるか？
• RQ2 計算的に高コストなプルーフ・オブ・ワークに依存せずに、分散ストレージモデルでデータの整合性をどのように維持できるか？
• RQ3 分散ブロックチェーンストレージシステムにおいて、カバレッジと回復効率を最適化する動的ゾーン割り当て戦略は何か？
• RQ4 コーディングに基づく方式にプルーフ・オブ・ワークを置き換えることで、エネルギー消費をどの程度削減できるか？
• RQ5 提案された方式における失われたデータ断片の確率的回復に必要な十分かつ必要条件は何か？

主な発見

• 提案された方式により、ノードごとのストレージコストは元のサイズの一部にまで削減され、ストレージコストは p' ≪ p の条件下で O(p/p') のオーダーでスケーリングする。
• この方式は情報理論的セキュリティを達成し、従来のブロックチェーンで用いられる計算の困難性の仮定に依存しなくなる。
• プルーフ・オブ・ワークを軽量なハッシュ化と整合性チェックに置き換えることで、エネルギー消費が顕著に削減される。
• 完全グラフをマッチングに分解する戦略に基づく動的ゾーン割り当ては、順序的に最適なカバレッジ時間（coverage time）を達成する。
• 確率的回復解析により、信頼性の高いデータ再構成には順序的に最適なゾーンサイズで十分であることが示された。
• 局所的修復ができないため、従来のシステムと比較して回復および修復コストが高くなるが、コードの完全再計算が必要となる。