[論文レビュー] Flash: An Asynchronous Payment System with Good-Case Linear Communication Complexity

Andrew Lewis-Pye, Oded Naor+1 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2023

Distributed systems and fault tolerance被引用数 4

ひとこと要約

Flashは、信頼性の高いブロードキャストの代わりにブロックレースと呼ばれるDAGに類似した構造を用いることで、Byzantine障害が少ないか存在しない良好な状況下で、1回の支払いあたりO(n)の通信複雑性を達成する、革新的な非同期支払いシステムである。これは、取引の依存関係を追跡し、二重支出を防ぐものである。Flashは、O(n²)の最悪ケース下限に一致しており、Byzantine故障耐性を備えた非同期支払いシステムにおいて、最初に線形良好ケース、二次最悪ケースのパフォーマンスを実現した。

ABSTRACT

While the original purpose of blockchains was to realize a payment system, it has been shown that, in fact, such systems do not require consensus and can be implemented deterministically in asynchronous networks. State-of-the-art payment systems employ Reliable Broadcast to disseminate payments and prevent double spending, which entails O(n^2) communication complexity per payment even if Byzantine behavior is scarce or non-existent. Here we present Flash, the first payment system to achieve $O(n)$ communication complexity per payment in the good case and $O(n^2)$ complexity in the worst-case, matching the lower bound. This is made possible by sidestepping Reliable Broadcast and instead using the blocklace -- a DAG-like partially-ordered generalization of the blockchain -- for the tasks of recording transaction dependencies, block dissemination, and equivocation exclusion, which in turn prevents doublespending. Flash has two variants: for high congestion when multiple blocks that contain multiple payments are issued concurrently; and for low congestion when payments are infrequent.

研究の動機と目的

• Byzantine行動が存在しない場合でさえも、1回の支払いあたりO(n²)の通信複雑性を負担する既存の支払いシステムの非効率性に対処すること。
• 合意形成や信頼性の高いブロードキャストに依存せずに、非同期ネットワークにおいてもセキュリティと整合性を維持する支払いシステムを設計すること。
• 最適な通信複雑性を達成すること：良好ケース（少数またはゼロのByzantine障害）ではO(n)、最悪ケースではO(n²)であり、既知の下限に一致させること。
• 2つの運用バリエーションを提供すること：1つは通信が希な支払いに最適化された低混雑環境用、もう1つは多数の支払いが同時に発生する高混雑環境用。
• 従来の全順序付けや信頼性の高いブロードキャストメカニズムに代わる、新しいブロックレース構造を用いて取引の確定を実現すること。

提案手法

• 信頼性の高いブロードキャストを、取引の依存関係やブロックの関係を記録する分散型DAGに類似した構造「ブロックレース」に置き換えること。
• ブロックレースを用いて、全順序付けを必要とせずに、ブロックの配布と二重支出（等価な取引）の検出を実現すること。
• 取引が後続のブロックで少なくとも(n + f)/2の異なる誠実なエージェントによって承認された段階で確定させる最終性メカニズムを実装すること。
• エージェントが特定の取引を「緊急」にマークできる緊急支払いモードを導入し、受信と同時にすべての誠実なノードが即座に承認するようにすること。
• 低混雑環境（支払いが稀）に最適化されたバージョンと、高混雑環境（同時に多数の支払い）に最適化されたバージョンの2つのプロトコルバリエーションを設計し、それぞれがブロックレース構造を異なる方法で活用すること。
• ブロックレースの部分順序と承認閾値に依存することで、非同期ネットワークにおいても、Byzantine行動が存在しても二重支出を防ぐセキュリティと整合性を保証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼性の高いブロードキャストを排除することで、Byzantine障害が存在しない良好な状況下で、1回の支払いあたり線形の通信複雑性を達成し、O(n²)の最悪ケース下限に一致させることは可能か？
• RQ2 非同期ネットワークにおいて、セキュリティや整合性を損なわせることなく、信頼性の高いブロードキャストを排除できるか？
• RQ3 全順序付けの代わりに部分順序を持つDAGに類似した構造を用いることで、取引の確定と等価な取引の検出を効率的に実現する方法は何か？
• RQ4 非同期支払いシステムにおける、低混雑と高混雑の運用モードの間のパフォーマンスのトレードオフは何か？
• RQ5 緊急取引メカニズムは、セキュリティを損なわず、通信複雑性をO(n)を超えて増加させることなく、確定遅延を短縮できるか？

主な発見

• Flashは、Byzantineエージェントの数が定数またはゼロである良好な状況下で、1回の支払いあたりO(n)の通信複雑性を達成し、最悪ケースではO(n²)の複雑性を維持しており、既知の下限に一致している。
• ブロックレース構造は、等価な取引の検出とブロックの配布において、信頼性の高いブロードキャストを効果的に代替し、合意形成を必要とせずに効率的かつスケーラブルな通信を可能にした。
• 低混雑バージョンでは、(n + f)/2の異なるエージェントからの累積的承認によって取引の確定が達成され、最大f個のByzantineエージェントが存在しても安全が保証される。
• 緊急支払いモードでは、マークされた取引が受信と同時に即座に承認され、通信複雑性がO(n)を超えない範囲で確定遅延が短縮される。
• 高混雑バージョンでは、複数の支払いとブロックの同時発行をサポートし、通常状況下でも1回の支払いあたり線形の通信複雑性を維持している。
• Flashは、支払いシステムが合意形成より弱い問題であることを示しており、取引の全順序付けを必要としないため、良好な状況下でのパフォーマンスが向上することを明らかにした。