[論文レビュー] Efficient Cross-Shard Transaction Execution in Sharded Blockchains

Sourav Das, Vinith Krishnan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 31被引用数 9

ひとこと要約

Rivetは、ブロック承認と正当性証明を介してクロスシャーディングトランザクションを調整する単一のリファレンスシャーディングを用いて、ワーカーシャーディングでの合意形成を排除する画期的なシャーディングアーキテクチャを提案する。この設計により、2フェーズコミット（2PC）プロトコルに内在する長期間のロックを回避することで、クロスシャーディングトランザクションの遅延を低減し、スループットを向上させ、最小限のオーバーヘッドで高速な最終性と高い並行性を実現する。

ABSTRACT

Sharding is a promising blockchain scaling solution. But it currently suffers from high latency and low throughput when it comes to cross-shard transactions, i.e., transactions that require coordination from multiple shards. The root cause of these limitations arise from the use of the classic two-phase commit protocol, which involves locking assets for extended periods of time. This paper presents Rivet, a new paradigm for blockchain sharding that achieves lower latency and higher throughput for cross-shard transactions. Rivet has a single reference shard running consensus, and multiple worker shards maintaining disjoint states and processing a subset of transactions in the system. Rivet obviates the need for consensus within each worker shard, and as a result, tolerates more failures within a shard and lowers communication overhead. We prove the correctness and security of Rivet. We also propose a more realistic framework for evaluating sharded blockchains by creating a benchmark based on real Ethereum transactions. An evaluation of our prototype implementation of Rivet and the baseline two-phase commit, atop 50+ AWS EC2 instances, using our evaluation framework demonstrates the latency and throughput improvements for cross-shard transactions.

研究の動機と目的

• シャーディングブロックチェーンにおけるクロスシャーディングトランザクションの高遅延と低スループットは、古典的な2フェーズコミット（2PC）プロトコルに内在する長期間のロックに起因するため、これを解消すること。
• ワーカーシャーディングでの合意形成のオーバーヘッドを最小限に抑えつつも、セキュリティと一貫性を維持するスケーラブルなブロックチェーンシャーディングモデルを設計すること。
• クロスシャーディング操作におけるトランザクション承認速度とシステムスループットを向上させつつ、正しさや耐故障性を損なわないこと。
• 実際のイーサリアム取引パターンに基づく実世界のベンチマークを用いて、提案されたモデルの実現可能性とパフォーマンスを評価すること。

提案手法

• Rivetは、合意形成を実行し、グローバルブロックチェーンを維持する単一のリファレンスシャーディングを導入する一方で、複数のワーカーシャーディングは独立して非重複の状態を維持し、シャーディング内トランザクションを処理する。
• ワーカーシャーディングは合意形成を実行しない。代わりに、定期的にコミットされたブロックの暗号的ハッシュダイジェストをリファレンスシャーディングに送信し、グローバルチェーンに含める。
• クロスシャーディングトランザクションはリファレンスシャーディングに提出され、順序付けられ、最終化される。これにより、関係するすべてのシャーディングが関連するトランザクションのみをローカルに実行できる。
• 各ワーカーシャーディングは、他のシャーディングからのデータと正当性証明をダウンロードしてクロスシャーディングトランザクションを実行し、それらのシャーディング間での合意形成を必要としない。
• 暗号的コミットと正当性証明を用いることで、長期間にわたる資産のロックなしに、高速で安全かつ効率的なクロスシャーディング実行を実現する。
• プロトタイプはQuorum上で実装され、実際のイーサリアム取引データから抽出されたリアルなベンチマークを用いてパフォーマンスが評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワーカーシャーディングでの合意形成を排除することで、シャーディングブロックチェーンアーキテクチャがクロスシャーディングトランザクションの遅延を低減できるか。
• RQ2 提案されたリファレンスシャーディング協調モデルは、従来の2フェーズコミット（2PC）プロトコルと比較して、スループットと最終化時間の点でどのように異なるか。
• RQ3 ワーカーシャーディングから合意形成を排除することで、耐障害性の向上と通信オーバーヘッドの低減はどの程度達成できるか。
• RQ4 実際のイーサリアム取引に基づくリアルなベンチマークは、シャーディングブロックチェーンシステムのパフォーマンスを効果的に評価できるか。

主な発見

• Rivetは2PCベースラインと比較して、クロスシャーディングトランザクションの承認遅延が顕著に低く抑えられており、1つのワーカーシャーディングがローカルに実行した段階ですぐに最終化される。
• データアイテムのロック期間が短くなるため、Rivetではクロスシャーディングトランザクションのスループットが高くなる。これは、競合を低減し、リソースの再利用を迅速化する。
• Rivetのワーカーシャーディングは、合意形成を実行しないため、レプリカ数と通信量が少なく、運用オーバーヘッドが削減される。
• 50台以上のAWS EC2インスタンス上でのプロトタイプ実装により、パフォーマンスの向上が確認され、このアプローチの実現可能性とスケーラビリティが裏付けられた。
• 実際のイーサリアム取引に基づくベンチマークは、合成ワークロードよりもより正確で現実的な評価フレームワークを提供する。