[論文レビュー] Microchain: A Hybrid Consensus Mechanism for Lightweight Distributed Ledger for IoT

Ronghua Xu, Yu Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 30被引用数 12

ひとこと要約

Microchain は、リソース制約のある IoT 環境における軽量で安全かつスケーラブルな分散ブロックチェーンを実現するため、Proof-of-Credit (PoC) と投票ベースのチェーン最終性 (VCF) を組み合わせたハイブリッド型コンSENSUSメカニズムを提案する。検証可能なランダム関数 (VRF) を用いた暗号的ソートィットにより、予測不可能で動的なバリデータ委員会を形成することで、高いスループット、低遅延、計算オーバーヘッドの低減を達成した。これは、Raspberry Pi 上でのプロトタイプ実装により実証され、CPU 使用率が15%に抑えられ、PoW より優れたパフォーマンスを示した。

ABSTRACT

A blockchain and smart contract enabled security mechanism for IoT applications has been reported recently for urban, financial, and network services. However, due to the power-intensive and a low-throughput consensus mechanism in existing blockchain, like Bitcoin and Ethereum, there are still challenges in integrating blockchain technology into resource-constrained IoT platforms. In this paper, Microchain, based on a hybrid Proof-of-Credit (PoC)-Voting-based Chain Finality (VCF) consensus protocol, is proposed to provide a secure, scalable and lightweight distributed ledger for IoT systems. By using a bias-resistant randomness protocol and a cryptographic sortition algorithm, a random subset of nodes are selected as a final committee to perform the consensus protocol. The hybrid consensus mechanism relies on PoC, a pure Proof of stake (PoS) protocol, to determine whether or not a participant is qualified to propose a block, given a fair initial distribution of the credit assignment. The voting-based chain finality protocol is responsible for finalizing a history of blocks by resolving conflicting checkpoint and selecting a unique chain. A proof-of-conception prototype is implemented and tested on a physical network environment. The experimental results verify that the Micorchain is able to offer a partially decentralized, scalable and lightweight distributed ledger protocol for IoT applications.

研究の動機と目的

• リソース制約のある IoT システムにおける既存のブロックチェーンコンセンサスメカニズム（例：PoW や PBFT）のスケーラビリティおよびエネルギー非効率性を解決すること。
• 管理およびセキュリティポリシーが断片的で、多様性に富んだ動的な IoT ネットワークに適した、軽量で部分的に分散化されたブロックチェーンアーキテクチャを設計すること。
• Sybil 攻撃、二重支出攻撃、長距離攻撃に対するセキュリティを維持しつつ、通信および計算オーバーヘッドを低減すること。
• PoC と VCF を組み合わせたハイブリッドコンセンサスモデルにより、高速な取引最終性と高いスループットを実現すること。
• Raspberry Pi などの低消費電力 IoT デバイス上で実装されたプロトタイプによる実現可能性の検証

提案手法

• Proof-of-Credit (PoC) と、チェーン最終性を実現する投票ベースのプロトコル（VCF）を組み合わせたハイブリッドコンセンサスプロトコルの設計。
• 暗号的ソートィットを用いた検証可能なランダム関数 (VRF) を活用し、ネットワークからバイアスに強く、予測不可能な動的なバリデータ委員会（「ダイナスティ」）を形成する。
• 最終的なバリデータ委員会は、n ≥ 3f+1 のノードを必要とする投票メカニズムにより、f 個のByzantine障害を耐容する。
• ブロック提案権は PoC により決定され、ノードの信用ステークに応じた資格付けにより、エネルギー効率性と公平性を確保する。
• チェーン最終性は、チェックポイントベースの投票メカニズムにより達成され、フォークの解消と、パーシステンスおよびライブネスの確保を実現する。
• 低消費電力デバイスに最適化された軽量データベースと署名検証パイプラインにより、CPU およびメモリ使用量を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リソース制限のある IoT 環境において、ハイブリッド PoC-VCF コンセンサスメカニズムは、高いスループットと低遅延を達成できるか？
• RQ2 Sybil 攻撃を防止し、ブロック提案権の公平性を確保しつつ、予測不可能で動的なバリデータ委員会をどのように形成できるか？
• RQ3 PoW や PBFT と比較して、IoT デプロイメントにおける計算および通信オーバーヘッドは、どの程度低減されるか？
• RQ4 VCF プロトコルは、チェーン最終性、パーシステンス、二重支出攻撃および長距離攻撃に対する耐性をどの程度効果的に確保できるか？
• RQ5 自己利益を図るマイニングや取引拒否攻撃などの悪意ある行動が発生した場合でも、システムはライブネスとセキュリティを維持できるか？

主な発見

• Microchain は、PoW ベースのブロックチェーンと比較して顕著に高いスループットを達成しており、低消費電力 IoT デバイスに最適化されたパフォーマンスを示している。
• Raspberry Pi B+ における CPU 使用率はわずか 15% であり、PoW と比較してほぼ 100% に近い使用率に比べ、計算オーバーヘッドが極めて小さいことが実証された。
• 小さな動的なバリデータ委員会のおかげで、ネットワーク遅延が低く、通信効率も高い。
• VRF を用いた委員会選定により、予測不可能性が保証され、攻撃者が委員会を制御したり、長距離攻撃を実行したりすることは事実上不可能である。
• チェーン最終性メカニズムにより、確認済み取引は元に戻せない（パーシステンス）、かつ有効な取引は最終的に必ず確定する（ライブネス）ことが保証される。
• Raspberry Pi 上でのプロトタイプ実装により、Microchain が実世界の IoT アプリケーションにおける実現可能性とスケーラビリティを確認できた。