[論文レビュー] Evaluating the Red Belly Blockchain

Crain, Tyler, Natoli, Christopher+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 34被引用数 27

ひとこと要約

Red Belly Blockchain (RBBC) は、提案者および検証者の新しいシャーディングにより、高いスループットと低遅延を達成する決定論的でビザンチンフォールト耐性のあるブロックチェーンである。複数のノードにトランザクションの提案および署名検証の作業を分散させることで、RBBC は 14 のデータセンターにまたがる 1,000 ノードにスケーリングし、660,000 件のトランザクション/秒を達成し、3 秒の最終性を実現した。これは、従来の BFT およびランダム化代替手法と比較して、スループットおよび遅延の両面で優れている。

ABSTRACT

In this paper, we present the most extensive evaluation of blockchain system to date. To achieve scalability across servers in more than 10 countries located on 4 different continents, we drastically revisited Byzantine fault tolerant blockchains and verification of signatures. The resulting blockchain, called the Red Belly Blockchain (RBBC), commits more than a hundred thousand transactions issued by permissionless nodes. These transactions are grouped into blocks within few seconds through a partially synchronous consensus run by permissioned nodes. It prevents double spending by guaranteeing that a unique block is decided at any given index of the chain in a deterministic way by all participants. We compared the performance of RBBC against traditional Byzantine fault tolerant alternatives and more recent randomized solutions. In the same geo-distributed environment with low-end machines, we noticed two interesting comparisons: (i) the RBBC throughput scales to hundreds of machines whereas the classic 3-step leader-based BFT state machine used by consortium blockchains cannot scale to 40 identically configured nodes; (ii) RBBC guarantees transaction finality in 3 seconds and experiences a third of the latency that randomized-based solutions like HoneyBadgerBFT can offer. This empirical evaluation demonstrates that blockchain scalability can be achieved without sacrificing security.

研究の動機と目的

• 既存のビザンチンフォールト耐性ブロックチェーンのスケーラビリティ制限に対処すること。これらのブロックチェーンは一般的に 4～40 ノードでピークに達する。
• 数百または数千の地理的に分散されたノードにスケーリングするが、強力なセキュリティ保証（最終性およびビザンチンフォールト耐性を含む）を維持するブロックチェーンを設計すること。
• ネットワーク遅延、不正なノード、大規模なワークロードを含む実世界の条件下で、システムのパフォーマンスおよび耐障害性を評価すること。
• 部分的に同期的でグローバルに分散された環境において、セキュリティや一貫性を犠牲にすることなく、高スループットと低遅延を達成できることを示すこと。

提案手法

• RBBC は、異なるトランザクションセットに異なる提案者および検証者のグループを割り当てる、新しいシャーディングメカニズムを使用している。
• 複数の提案者からの提案が「スーパーブロック」に統合され、コンセンサスの往復遅延を削減し、1 回のコンセンサスインスタンスあたりのスループットを向上させている。
• 署名検証はシャーディングされており、各トランザクションは t+1 以上 2t+1 未満の検証者によって検証される。ここで t は耐えられる最大のビザンチンフォールト数である。
• コンセンサスプロトコルは時間最適かつレジリエンス最適であり、部分的に同期的なネットワークで t < n/3 のビザンチンフォールトを耐えられる。これにより決定論的最終性が保証される。
• システムは ECDSA をトランザクション署名に、UTXO モデルを状態管理に使用しており、ビットコインのセキュリティモデルと互換性がある。
• 実験は、4 つの大陸にまたがる 14 のデータセンターで実施され、ハイエンドおよびローエンドのマシンを併用し、1,000 から 50,000 のリクエスタを含むワークロードが使用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 決定論的でビザンチンフォールト耐性のあるブロックチェーンは、セキュリティや最終性を犠牲にすることなく、地理的に分散されたデータセンターにまたがる数百または数千のノードにスケーリング可能だろうか？
• RQ2 従来のリーダー主導の BFT プロトコルと比較して、提案者および検証者のシャーディングは、スループット、遅延、および負荷分散にどのように影響するだろうか？
• RQ3 変動する遅延や不正なノードを含む実世界のネットワーク条件下で、RBBC のパフォーマンスはいかがであろうか？
• RQ4 グローバルに分散された展開において、RBBC のスループットおよび遅延は、古典的なリーダー主導の BFT および HoneyBadgerBFT のようなランダム化 BFT プロトコルと比較してどうなるだろうか？
• RQ5 メッセージ改ざんや遅延送信を含むビザンチン攻撃下でも、システムはパフォーマンスおよびセキュリティをどれほど維持できるだろうか？

主な発見

• RBBC は、1 つのデータセンターに 260 台のマシンを展開し、フォールト耐性パrameter t を低くした状態で、ピークスループット 660,000 件のトランザクション/秒を達成した。
• 14 のデータセンターにまたがる 1,000 レプリカのグローバル展開において、RBBC は約 30,684 件のトランザクション/秒を維持し、トランザクションコミット遅延は約 3 秒であった。
• RBBC の遅延は HoneyBadgerBFT の 1/3 であり、3 秒の最終性を達成した。同時に、スループットにおいても同社を上回った。
• システムは 1,000 ノードを 14 のデータセンターにまたがってスケーリングし、提案者および検証者のシャーディングが効果的にボトルネックを防ぎ、従来の BFT プロトコルで見られるスケーリングの限界を回避することを示した。
• ビザンチン攻撃下でも、RBBC は正しくコンセンサス意思決定を維持し、トランザクションのコミットを継続した。これは、メッセージ改ざんや遅延送信に対して耐性があることを示している。
• システムは 260 ノードまで CPU バッティングとなったが、以降はネットワークのボトルネックによりパフォーマンスが平坦化した。これは、さらなるスケーリングにはネットワークレベルの最適化が必要であることを示している。