[論文レビュー] Optimized Execution of Business Processes on Blockchain

Luciano García‐Bañuelos, А. В. Пономарев+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2016

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 2

ひとこと要約

この論文では、Ethereum向けに最適化されたSolidityスマートコントラクトにBPMNプロセスモデルをコンパイルする手法を提案している。プロセス状態を空間効率の良いビット配列で符号化することでガス消費量を最小限に抑え、平均ガス使用量を50%削減し、スループットを30%向上させることで、スケーラブルなブロックチェーンベースのビジネスプロセス実行を実現している。

ABSTRACT

Blockchain technology enables the execution of collaborative business processes involving untrusted parties without requiring a central authority. Specifically, a process model comprising tasks performed by multiple parties can be coordinated via smart contracts operating on the blockchain. The consensus mechanism governing the blockchain thereby guarantees that the process model is followed by each party. However, the cost required for blockchain use is highly dependent on the volume of data recorded and the frequency of data updates by smart contracts. This paper proposes an optimized method for executing business processes on top of commodity blockchain technology. The paper presents a method for compiling a process model into a smart contract that encodes the preconditions for executing each task in the process using a space-optimized data structure. The method is empirically compared to a previously proposed baseline by replaying execution logs, including one from a real-life business process, and measuring resource consumption.

研究の動機と目的

• Ethereumのような一般ブロックチェーン上でビジネスプロセスを実行する際の高コストなガス費を低減すること。
• ブロックチェーンベースのプロセス実行におけるスマートコントラクトのデータブロートと取引頻度を最小限に抑えること。
• 効率的な状態符号化を通じて、ブロックチェーン上で実行されるビジネスプロセスのスケーラビリティとパフォーマンスを向上させること。
• 実世界および合成されたプロセス実行ログを用いて、本手法を実証的に評価すること。
• BPMNモデルからガス効率の良いSolidityスマートコントラクトに至る実用的で最適化されたコンパイルパイプラインを提供すること。

提案手法

• 制御フローの意味論を単純化するため、BPMNプロセスモデルを最小化されたペトリネットに変換すること。
• プロセス状態を表すためにビット配列を用いることで、ストレージフットプリントを最小限に抑えたSolidityスマートコントラクトにペトリネットをコンパイルすること。
• タスク実行の事前条件をビット演算によって符号化することで、計算オーバーヘッドを低減すること。
• 必要なブロックチェーン書き込み回数とガス集約的演算の回数を減らすことで、状態遷移を最適化すること。
• 多様なプロセスログにおけるガス消費量を測定するために、リプレイベースの評価フレームワークを用いること。
• 実世界および合成された実行トレースを用いて、先行研究からのベースライン手法と比較してベンチマークを実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BPMNベースのビジネスプロセスを、ガス消費量を最小限に抑えたブロックチェーンスマートコントラクトにどのようにコンパイルできるか。
• RQ2 空間最適化された状態符号化は、スマートコントラクトにおけるデータブロートと取引頻度をどの程度低減できるか。
• RQ3 本手法は、ガス使用量と実行スループットの観点でベースライン手法と比べてどのように差をつけるか。
• RQ4 高負荷かつ並列プロセス実行下において、最適化されたアプローチのスケーラビリティはどの程度か。
• RQ5 複雑な実行パターンを示す実世界のビジネスプロセスログに対しても、本手法は効果的に適用可能か。

主な発見

• 最適化手法は、すべてのテストデータセットにおいて、ベースライン手法と比較して平均ガス消費量を50%削減した。
• 最適化されたスマートコントラクトは500件のプロセスインスタンスを511ブロックで完了したが、ベースラインは739ブロックを要した。これはスループットが30%向上したことを示している。
• 1ブロックあたりの取引スループットは、ガス使用量の低減により向上し、最適化されたコントラクトは1ブロックあたり約180件の取引を維持したのに対し、ベースラインは約140件であった。
• スループットのボトルネックは主にEthereumのブロックガス制限に起因しており、最適化されたバージョンでは1ブロックあたり5件のインスタンス作成が制限された。
• 5,300件を超えるトレースを含む実世界の請求ログにおいても、本手法はスケーラビリティを示した。
• 評価により、状態表現の最小化と書き込み操作の削減が、一般ブロックチェーン上での実行コストを顕著に低減することが確認された。