[論文レビュー] High Throughput Cryptocurrency Routing in Payment Channel Networks

Vibhaalakshmi Sivaraman, Shaileshh Bojja Venkatakrishnan+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Caching and Content Delivery参考文献 38被引用数 41

ひとこと要約

Spiderは取引をパケット化し、多経路混雑制御プロトコルを使用して支払チャンネルネットワークにおける高スループットなルーティングを実現し、必要な担保を削減し、最先端アプローチと比較してスループットを向上させる。

ABSTRACT

Despite growing adoption of cryptocurrencies, making fast payments at scale remains a challenge. Payment channel networks (PCNs) such as the Lightning Network have emerged as a viable scaling solution. However, completing payments on PCNs is challenging: payments must be routed on paths with sufficient funds. As payments flow over a single channel (link) in the same direction, the channel eventually becomes depleted and cannot support further payments in that direction; hence, naive routing schemes like shortest-path routing can deplete key payment channels and paralyze the system. Today's PCNs also route payments atomically, worsening the problem. In this paper, we present Spider, a routing solution that "packetizes" transactions and uses a multi-path transport protocol to achieve high-throughput routing in PCNs. Packetization allows Spider to complete even large transactions on low-capacity payment channels over time, while the multi-path congestion control protocol ensures balanced utilization of channels and fairness across flows. Extensive simulations comparing Spider with state-of-the-art approaches shows that Spider requires less than 25% of the funds to successfully route over 95% of transactions on balanced traffic demands, and offloads 4x more transactions onto the PCN on imbalanced demands.

研究の動機と目的

• PCN（支払チャンネルネットワーク）を通じた仮想通貨におけるスケーラブルで高速な決済の必要性を喚起する。
• 現在のPCNルーティングを妨げる基本的なスループットとバランスの課題を特定する。
• バランスの取れた高スループット・ルーティングを実現するためのパケットスイッチドアーキテクチャとマルチパス混雑制御プロトコル（Spider）を提案する。
• Spiderがスループットを改善し、PCNへのトラフィックのオフロードを増やすことを、シミュレーションと小規模な実装を通じて実証する。

提案手法

• 取引を transaction-units に分割し、複数の経路と時間を通して転送するPCNのパケットスイッチドアーキテクチャを導入する。
• チャンネル使用のバランスを取りスループットを最大化する、シンプルな混雑信号を用いるマルチパス輸送プロトコルであるSpiderを開発する。
• バランスと容量制約を備えるPCNルーティングの流体 NUM ベースモデルを定式化し、circulationsとDAG demandsの関係を分析する。
• 複数経路のMPTCP風結合に触発された、ルータの価格信号とエンドホストの経路探査を備えた実用的なプロトコルを提案する。
• パケットレベルのシミュレーションとLND Lightning Networkのコードベースでの小規模実装によって検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 伝統的なルーティング下で、チャンネルのバランスと容量制約はPCNのスループットをどのように制限するか？
• RQ2 パケット化とマルチパス混雑制御は、公平性を維持しつつPCNのスループットを大幅に向上させることができるか？
• RQ3 PCNにおける最大到達可能スループットに影響を与える構造的な需要パターン（circulation vs. DAG）は何か？
• RQ4 過度なオンチェーンのリバランシングを伴わずに、分散型のPriceベースルーティングがPCNのチャンネルの利用をどのようにバランス良く実現できるか？
• RQ5 circulationとDAGトラフィックパターンにおいて、Spiderは最先端のルーティングと比較してどう性能を発揮するか？

主な発見

• Circulation demands で、Spiderは95%の取引をルーティングするのに必要な資金が25%未満で済む。
• DAG demands では、Spiderはブロックチェーン上の各取引につきPCNへ7–8倍の取引をオフロードし、従来のアプローチより4倍の改善を達成する。
• 最先端アプローチと比較して、Circulation demands 下でのクレジットカード取引データセットを用いた最大の25%の取引のうち、Spiderは1.3–1.8倍多く完了する。
• Spiderのネットワーク全体アプローチは、フロー間の公平性を維持しつつ高いスループットを達成する。