[論文レビュー] Information Propagation on Permissionless Blockchains.

Oğuzhan Ersoy, Zhijie Ren+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、Sybil攻撃に耐性のある手数料共有モデルと、冗長な通信を低減するスマートルーティングプロトコルを導入することで、許可なしブロックチェーンにおけるインcentive-compatibleかつ帯域幅効率の良い情報伝達メカニズムを提案する。1-連結ネットワークではSybil耐性の実現が不可能であることを証明するが、受信者の能力とは独立して伝達意思決定を行うことが可能であり、最短経路に配慮したルーティングによって最適な帯域幅スケーリングを達成する。

ABSTRACT

Blockchain technology, as a decentralized and non-hierarchical platform, has the potential to replace centralized systems. Yet, there are several challenges inherent in the blockchain structure. One of the deficiencies of the existing blockchains is a convenient information propagation technique enhancing incentive-compatibility and bandwidth efficiency. The transition from a centralized system into distributed one brings along game theoretical concerns. Especially for the permissionless blockchains, information propagation should be incentive-compatible just like any other communication or computational costly operation. Another important issue is that information is relayed via gossip-like protocols causing excessive bandwidth usage. Each information is propagated at least twice: first to advertise its existence, second to announce that it is final and validated, i.e., added to the block. In this work, we investigate two distinct aspects of the information propagation of the blockchains: incentive and routing mechanisms. For the former part, we analyze the necessary and sufficient conditions of the Sybil-proof incentive-compatible propagation methodology. We show the impossibility result of the Sybil-proofness in 1-connected network model. For the rest, we prove that the propagation decision is independent of the capabilities of the receiving side. Then, we formulate the generic fee sharing function which encourages rational participants to propagate information. Regarding the bandwidth efficiency, we study a special type of consensus protocols where the block owner (round leader) is validated before the block is created. We present a smart routing mechanism which the redundant communication cost from the size of the network to the scale of average shortest path length. Finally, we combine the incentive and routing mechanisms in a storage-efficient way.

研究の動機と目的

• 許可なしブロックチェーンにおけるインcentive-compatibleかつ帯域幅効率の良い情報伝達の欠如に対処すること。
• 分散ネットワークにおけるSybil耐性の伝達が可能となる条件を分析すること。
• 合理的なノードが情報を中継するよう促す汎用的な手数料共有関数を設計すること。
• 最適化されたルーティングにより、ブロックチェーンのゴッシュプロトコルにおける冗長な通信コストを低減すること。
• ストレージ効率の良い方法でインcentiveメカニズムと効率的ルーティングを統合すること。

提案手法

• 情報伝達におけるSybil耐性の実現が不可能であることを証明するため、1-連結ネットワークモデルを分析する。
• 受信者の能力に依存しない、ノードのインcentiveを真実の伝達と一致させる汎用的な手数料共有関数を導入する。
• 冗長な通信をネットワークサイズではなく平均最短経路長に制限するスマートルーティングメカニズムを提案する。
• ブロック作成前にブロック所有者の検証が行われるコンSENSUSプロトコルを設計し、効率的な伝達を可能にする。
• インcentiveメカニズムとルーティングメカニズムを統合し、経済的合理性と帯域幅効率の両立を確保する。
• 手数料共有とルーティングを統合するストレージ効率の良い設計を採用し、オーバーヘッドの増加を防ぐ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 許可なしブロックチェーンにおける情報伝達がどのような条件下でSybil耐性を達成できるか。
• RQ2 伝達意思決定を受信者の能力に依存させないインcentiveメカニズムを設計することは可能か。
• RQ3 ブロックチェーンのゴッシュプロトコルにおける冗長な通信コストをどのように最小化できるか。
• RQ4 ルーティングメカニズムをネットワークサイズではなく平均最短経路長にスケーリングすることは可能か。
• RQ5 インcentive compatibilityと帯域幅効率を、ブロックチェーン情報伝達においてどのように同時に達成できるか。

主な発見

• 1-連結ネットワークモデルでは、情報伝達におけるSybil耐性の実現が不可能であることが示され、根本的な制限が特定された。
• 伝達意思決定を受信者の能力とは独立して行うことが可能であり、これによりよりスケーラブルで合理的な行動が可能になる。
• 提案された汎用的な手数料共有関数により、合理的な参加者が真実の情報を伝達するようインcentivizedされる。
• スマートルーティングメカニズムにより、冗長な通信コストをO(n)からO(d)に低減できる。ここでdは平均最短経路長を表す。
• 統合されたメカニズムにより、ストレージオーバーヘッドの増加なしにインcentive compatibilityと帯域幅効率の両方を達成できる。
• プロトコル設計により、ネットワークトポロジーの制約からインcentiveを分離することで、許可なしブロックチェーンにおける効率的な情報伝達が可能になる。