[論文レビュー] Implicit Consensus: Blockchain with Unbounded Throughput

Zhijie Ren, Kelong Cong+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 2被引用数 13

ひとこと要約

この論文では、取引検証をグローバルな合意とは分離することで、無限のスループットを達成する新しいブロックチェーン合意モデルである暗黙的合意（Implicit Consensus）を提案する。すべてのノードが各取引に対して合意する必要がない。代わりに、自己利益と自発的シャーディングに依存する。ノードは自分の取引のみを検証し、他のノードに証明を伝達する。これにより、グローバルな終了保証がなくても、Byzantine Fault Tolerance（BFT）と同等の信頼性を確保する。

ABSTRACT

Recently, the blockchain technique was put in the spotlight as it introduced a systematic approach for multiple parties to reach consensus without needing trust. However, the application of this technique in practice is severely restricted due to its limitations in throughput. In this paper, we propose a novel consensus model, namely the implicit consensus, with a distinctive blockchain-based distributed ledger in which each node holds its individual blockchain. In our system, the consensus is not on the transactions, but on a special type of blocks called Check Points that are used to validate individual transactions. Our system exploits the ideas of self-interest and spontaneous sharding and achieves unbounded throughput with the transaction reliability that equivalent to traditional Byzantine fault tolerance schemes.

研究の動機と目的

• O(N²)のメッセージ複雑性とスループットのボトル neck を抱える従来のブロックチェーン合意アルゴリズムのスケーラビリティ制限を解消すること。
• 既存のBFTおよびプルーフ・オブ・ワーク方式のスループットの上限を打ち破るために、取引に対するグローバル合意という合意の目的を「チェックポイント（Check Points）」に対する合意に再定義すること。
• 自己利益を活用して取引検証と証明伝達を促進することで、合理的で分散型のネットワークで無限の取引スループットを実現すること。
• 終了性の性質を緩和しても、従来のByzantine Fault Tolerance（BFT）方式と同等の取引信頼性を維持すること。
• 取引送信元の選択に基づいてノードが自然に動的かつ最適化されたシャードを形成するように設計し、中央集権的または複雑なシャーディング調整の必要性を排除すること。

提案手法

• チェックポイント（Check Points）を導入する。これは特別なブロックであり、取引の正当性と合意の証明として機能し、個々の取引に対するグローバル合意を置き換える。
• 合意プロセスを取引レベルの合意から分離する。ノードはすべての取引を保存・検証する必要がなく、自分の取引やその送信元に関連するものだけを処理すればよい。
• 自己利益をインcentiveメカニズムとして活用する。ノードは自分の取引が受け入れられるように、正当な取引の証明を伝播させる動機を持つ。
• 任意のノードが正当な証明を保有していれば、独立して検証し、他のノードに伝達できる分散型・検閲フリーの検証方式を実装する。
• BFTに基づく合意アルゴリズムを用いてチェックポイントに対する合意に達させ、誠実なノードに対して正しさと合意の保証を提供する。同時に、選択的検証により無限のスループットを実現する。
• 自発的シャーディングを実現する。合理的なノードは、証明の送信オーバーヘッドが最小限になる送信元を選択することで、データ送信を最小限に抑え、自然かつ自己最適化されたネットワーク分割を生じさせる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべての取引に対するグローバル合意に依存せずに、ブロックチェーンシステムが無限のスループットを達成できるか？
• RQ2 すべての取引に対してグローバルな終了保証を課さない場合でも、BFTレベルの信頼性を維持できるか？
• RQ3 自己利益と分散型インcentiveが、正式な合意メカニズムに代わって証明伝達と検証を促進できるか？
• RQ4 合理的でインcentive駆動のブロックチェーンシステムにおいて、自発的シャーディングはどのようにして生じるか？
• RQ5 Byzantine Fault Tolerance（BFT）における終了性の緩和が、スループット、レイテンシ、信頼性の間でどのようなトレードオフをもたらすか？

主な発見

• システムは無限のスループットを達成する。取引検証がグローバルに必要とされないため、関連する送信元の証明のみが伝達され、ノードは必要なものだけを保存する。
• 取引の信頼性は従来のBFT方式と同等である。誠実なノードに対して正しさと合意が保証され、正当な取引は標準的なBFTシステムと同等に信頼できる。
• 終了性の緩和はシステムの整合性を損なわない。自己利益のインcentiveにより、悪意あるノードですら正当な取引の証明を妨げることはできない。
• 自発的シャーディングは自然に生じる。合理的なノードは、証明伝送のオーバーヘッドが最小限になる送信元を選択することで、効率的かつ自己最適化されたネットワーク分割を形成する。
• レピュテーションまたはブラックリストメカニズムにより、スパムやDoS攻撃に対して耐性を示す。不正な取引は誠実なノードが送信元として使わないため、伝播しない。
• レイテンシはチェックポイントに対するBFT合意に依存するが、よりスケーラブルなBFTアルゴリズムを用いることで短縮可能であり、将来的なパフォーマンス向上と相性がよい。