[論文レビュー] Faithful Simulation of Randomized BFT Protocols on Block DAGs

Attiya, Hagit, Enea, Constantin+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 164被引用数 57

ひとこと要約

本稿では、DAGベースのブロックチェーンシステムの体系的分析を提示し、6つの異なる設計パターンを特定する一般化された2次元モデルを提案する。本稿は、構造、コンSENSUS、セキュリティ、パフォーマンス、特性の観点からこれらのシステムを評価し、スケーラブルで高スループットなブロックチェーンアーキテクチャの今後の研究開発を支援する包括的なフレームワークを提供する。

ABSTRACT

Blockchain plays an important role in cryptocurrency markets and technology services. However, limitations on high latency and low scalability retard their adoptions and applications in classic designs. Reconstructed blockchain systems have been proposed to avoid the consumption of competitive transactions caused by linear sequenced blocks. These systems, instead, structure transactions/blocks in the form of Directed Acyclic Graph (DAG) and consequently re-build upper layer components including consensus, incentives, extit{etc.} The promise of DAG-based blockchain systems is to enable fast confirmation (complete transactions within million seconds) and high scalability (attach transactions in parallel) without significantly compromising security. However, this field still lacks systematic work that summarises the DAG technique. To bridge the gap, this Systematization of Knowledge (SoK) provides a comprehensive analysis of DAG-based blockchain systems. Through deconstructing open-sourced systems and reviewing academic researches, we conclude the main components and featured properties of systems, and provide the approach to establish a DAG. With this in hand, we analyze the security and performance of several leading systems, followed by discussions and comparisons with concurrent (scaling blockchain) techniques. We further identify open challenges to highlight the potentiality of DAG-based solutions and indicate their promising directions for future research.

研究の動機と目的

• DAGベースのブロックチェーンシステムにおける設計パターンやアーキテクチャ的トレードオフに関して、体系的理解が不足している問題に対処すること。
• 構造的およびコンセンサス的特性に基づいて、既存のDAGベースのブロックチェーンシステムを分類する統一されたフレームワークを提供すること。
• DAGベースのシステムのパフォーマンス、セキュリティ、スケーラビリティを、古典的ブロックチェーンおよび代替スケーリング技術と比較して評価すること。
• 今後のDAGベースのブロックチェーン設計および展開における未解決の課題と研究方向性を特定すること。
• DAGの意味論、コンセンサスメカニズム、およびグラフベースのレジストリにおけるブロックの役割に関する誤解を解消すること。

提案手法

• 『ユニットタイプ』と『トポロジー』をコアな次元として用い、DAGベースのブロックチェーンシステムを抽象化する2次元の数学的モデルを提案する。
• 2つの次元を組み合わせることで、実世界の実装を体系的に分類可能な6つの明確に区別されたタイプに既存のシステムを分類する。
• コンセンサスメカニズムをブロック/取引選択、投票、最終性の決定といったコンponentsに分解し、比較的分析を可能にする。
• 構造、コンセンサス、特性、セキュリティ、パフォーマンスの5つの次元にわたり、定性的および定量的メトリクスを用いてシステムを評価する。
• DAGベースのアプローチを、シャーディング、レイヤ2、ハイブリッドコンセンサスなどの代替スケーリング技術と比較し、独自の利点と制限を浮き彫りにする。
• 未解決の研究課題を特定し、スマートコントラクトのサポート、最終性の保証、分散性、セキュリティ、スケーラビリティのトレードオフといった点について議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAGベースのブロックチェーンシステムにおける基本的な構造的およびコンセンサス的設計パターンは何であるか？
• RQ2 DAGベースのシステムは、古典的線形ブロックチェーンと比較して、どのようにしてより高いスループットとより速い確認時間（confirmation time）を達成しているか？
• RQ3 DAGベースのシステムは、さまざまなネットワーク状態や悪意あるモデル下でも、セキュリティ保証をどの程度維持できるか？
• RQ4 DAGベースの設計において、分散性、セキュリティ、スケーラビリティ、パフォーマンスの間の主なトレードオフは何か？
• RQ5 DAGベースのシステムは、スマートコントラクトや状態を持つアプリケーションをネイティブにサポートできるか？その際のアーキテクチャ的障壁は何か？

主な発見

• 著者らは、ユニットタイプとトポロジーに基づく2次元分類モデルを通じて、DAGベースのブロックチェーンシステムに6つの明確に区別された設計パターンを同定した。
• DAGベースのシステムは、線形ブロックチェーンとは異なり、並列処理が可能であるため、ミリ秒単位の確認時間と高いスループットを達成している。
• 多くのDAGシステムはスケーラビリティとパフォーマンスを向上させるが、厳密な一貫性保証が弱くなりがちであり、スマートコントラクトのような状態を持つアプリケーションには追加のメカニズムが不可欠である。
• ナカモトコンセンサスとBFTスタイルの最終性を組み合わせたハイブリッドコンセンサスアプローチが、パフォーマンスとセキュリティのバランスを取る有望な道筋として浮上している。
• 現行のDAGシステムは、依然として高いスループット、強いセキュリティ、ストレージ効率性の3つを同時に達成できていないため、研究上の未解決課題である。
• 本稿は、現在のDAGベースのブロックチェーンが、分散性、セキュリティ、スケーラビリティの理想的なトレードオフを満たしていないと結論づけ、今後のイノベーションの主要な分野であると強調している。