[論文レビュー] LightChain: A DHT-based Blockchain for Resource Constrained Environments

Yahya Hassanzadeh-Nazarabadi, Alpteki̇n Küpçü+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 61被引用数 27

ひとこと要約

LightChainは、リソース制約のある環境における効率的でスケーラブルかつ公平な合意形成を実現する、DHTベースで許可なしのブロックチェーンを提案する。コンテンツアドレスブルのストレージとオンデマンドリトリーブを活用することで、Bitcoin や Ethereum と比較してノード1つあたりのストレージを約66倍、ブートストラップ時間を約380倍削減する。同時に、決定論的なフォーク解決と、多数のペアが改ざんされた状況下でもセキュリティを保証する。

ABSTRACT

As an append-only distributed database, blockchain is utilized in a vast variety of applications including the cryptocurrency and Internet-of-Things (IoT). The existing blockchain solutions have downsides in communication and storage efficiency, convergence to centralization, and consistency problems. In this paper, we propose LightChain, which is the first blockchain architecture that operates over a Distributed Hash Table (DHT) of participating peers. LightChain is a permissionless blockchain that provides addressable blocks and transactions within the network, which makes them efficiently accessible by all the peers. Each block and transaction is replicated within the DHT of peers and is retrieved in an on-demand manner. Hence, peers in LightChain are not required to retrieve or keep the entire blockchain. LightChain is fair as all of the participating peers have a uniform chance of being involved in the consensus regardless of their influence such as hashing power or stake. LightChain provides a deterministic fork-resolving strategy as well as a blacklisting mechanism, and it is secure against colluding adversarial peers attacking the availability and integrity of the system. We provide mathematical analysis and experimental results on scenarios involving 10K nodes to demonstrate the security and fairness of LightChain. As we experimentally show in this paper, compared to the mainstream blockchains like Bitcoin and Ethereum, LightChain requires around 66 times less per node storage, and is around 380 times faster on bootstrapping a new node to the system, while each LightChain node is rewarded equally likely for participating in the protocol.

研究の動機と目的

• 既存のブロックチェーンにおけるスケーラビリティと効率性の課題、特に通信、ストレージ、合意形成のオーバーヘッドを解決すること。
• 計算能力やステークにかかわらずすべてのピアが均等な参加確率を持つようにすることで、合意形成における中央集権的傾向を排除すること。
• 従来のブロックチェーンで見られる確率的フォーク解決による一貫性の問題を解消すること。
• 構造的なDHTオーバーレイを介して、ブロックおよび取引への効率的でオンデマンドアクセスを可能にすること。
• 多数のピアが改ざんされた状況下でも、システムの可用性とセキュリティを保証すること。

提案手法

• LightChainは、ピア、ブロック、取引のための決定論的で低複雑性の検索を提供する、スキーングラフに基づく分散ハッシュテーブル（DHT）上で動作する。
• 各ピアはブロックおよび取引のランダムなサブセットを格納し、全レジャーレプリケーションではなくオンデマンドリトリーブを可能にする。
• 合意形成プロトコルは均一な障害確率モデルとランダム化されたブートストラップメカニズムを用いて、すべてのピアにおける参加の公平性を保証する。
• ブロックハッシュとピア参加の順序に基づく一貫性のある順序付けメカニズムを用いて、決定論的なフォーク解決戦略を強制する。
• 可用性や整合性を損なおうとする悪意あるピアを検出・隔離するブラックリストメカニズムを採用する。
• ハイパージオメトリック分布モデルを用いて、誠実なピアが有限回の試行内で十分な数の誠実なピアを常に見つけられることを形式的に証明することで、セキュリティと可用性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべてのピアに完全なレジャーストレージを要求しない状況でも、効率的でスケーラブルかつ公平な合意形成を実現できるか？
• RQ2 確率的最長チェーンルールに依存せずに、ネットワークのフォークが生じた場合でも一貫性と決定論的最終性を維持できるか？
• RQ3 多数のピアが悪意あるか改ざんされた状況下でも、ブロックチェーンシステムはセキュアかつ可用性を保てるか？
• RQ4 エピデミックな配布ではなく、構造的なDHTを用いてコンテンツ検索を行う場合、ブロックチェーンの通信およびストレージの複雑度はどの程度か？
• RQ5 ピアのハッシュパワーまたはステークにかかわらず、合意形成への参加の公平性をどのように達成できるか？

主な発見

• LightChainは、従来のブロックチェーンにおけるノード1つあたりのストレージ複雑度O(b)をO(b/n)に低減させ、Bitcoin や Ethereum と比較して約66倍のストレージ要件削減を達成した。
• DHTを介したオンデマンドコンテンツリトリーブのおかげで、LightChainにおける新規ノードのブートストラップは、主流のブロックチェーンと比較して約380倍速くなった。
• 誠実なピアが十分に多数存在する限り、部分的に同期的ネットワークおよび多数のピアが悪意ある状況下でも、システムはサービスの可用性を維持する。
• LightChainは決定論的なフォーク解決を実現し、可用性や整合性を損なおうとする共謀する悪意あるピアに対しても安全である。
• 数学的分析により、誠実なピアが1回のサンプリングラウンド内で最小限の数の誠実なピアを常に見つけられることを確認し、ライブネスおよび合意形成の進行を保証した。
• すべてのピアがハッシュパワーまたはステークにかかわらず、同じ確率で選択されることで、合意形成への参加の公平性を達成した。