[論文レビュー] Overview of Polkadot and its Design Considerations

Jeff Burdges, Alfonso Cevallos+9 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 23被引用数 19

ひとこと要約

この論文では、中核となるレリーフチェーンを介して複数のブロックチェーンを共有セキュリティモデルに統合することにより、ブロックチェーンの相互運用性、スケーラビリティ、および分散化されたセキュリティの問題を解決することを目的とした、異種マルチチェーンプロトコル「Polkadot」を提示する。このシステムは、パラチェーン、BABEおよびGRANDPAコンセンサス、XCMPメッセージング、ステーキングベースのガバナンスモデルといったコンponentsを通じて、信頼なしのクロスチェーン通信を実現し、スケーラブルで安全かつ相互運用可能なブロックチェーンの相互運用性を達成する。

ABSTRACT

In this paper we describe the design components of the heterogenous multi-chain protocol Polkadot and explain how these components help Polkadot address some of the existing shortcomings of blockchain technologies. At present, a vast number of blockchain projects have been introduced and employed with various features that are not necessarily designed to work with each other. This makes it difficult for users to utilise a large number of applications on different blockchain projects. Moreover, with the increase in number of projects the security that each one is providing individually becomes weaker. Polkadot aims to provide a scalable and interoperable framework for multiple chains with pooled security that is achieved by the collection of components described in this paper.

研究の動機と目的

• 相互運用性に欠ける孤立したブロックチェーンや、分散化されたセキュリティの欠如といった課題を解決すること。
• 異種のチェーン（パラチェーン）を並列に動作させることで水平スケーラビリティを実現し、共有セキュリティモデルの下で運用すること。
• 独立したブロックチェーン間で信頼なしの通信および取引検証メカニズムを提供すること。
• 長期的な持続可能性とバリデーターのインcentiveを保証する分散型ガバナンスおよび経済モデルを設計すること。
• 形式的なサブプロトコルを備えたモジュラーや合成可能なアーキテクチャを導入することで、既存ブロックチェーンの性能ボトルネックを克服すること。

提案手法

• レリーフチェーンは、共通のセキュリティとパラチェーン間のクロスチェーンメッセージパッシング（XCMP）を提供する中枢的調整レイヤーとして機能する。
• パラチェーンは独立したブロックチェーンであり、最終性とセキュリティをレリーフチェーンに依存しており、ブロック生成にはBABE、最終性にはGRANDPAを用いる。
• 名前付きプルーフ・オブ・ステーク（NPoS）メカニズムにより、ステークとノミネーションに基づくバリデーター選出が行われ、経済的セキュリティと分散化を確保する。
• クロスチェーンメッセージングはXCMPにより実現され、パラチェーンが安全かつ非同期にメッセージを送受信できる。
• Sentryノードは、プライベートなバリデーターノードを直接のピアツーピアトラフィックから隔離することで、セキュリティを向上させ、DoS攻撃のリスクを低減する。
• ネットワークはKademliaベースのDHTを用いてピア発見を実行し、libp2pを用いて安全かつ認証済みのトランスポートを提供しており、将来的には発見とルーティングを分離することでより強固なセキュリティを実現する計画である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できる仲介者に依存せずに、複数の異種ブロックチェーンがどのように安全に相互運用できるか。
• RQ2 どのようなアーキテクチャ的およびコンセンサスメカニズムが、高いスループットと低遅延を維持しつつ、複数のブロックチェーンにわたるプール化されたセキュリティを実現できるか。
• RQ3 分散型ガバナンスモデルは、マルチチェーンエコシステムにおけるアップグレード管理、スロット割り当て、財務資金の管理を効果的に行えるか。
• RQ4 ステーキングと経済的インcentiveは、ネットワークのセキュリティを確保し、バリデーターの行動を整合させる役割を果たすか。
• RQ5 ネットワークトポロジーやピア発見メカニズムは、エクリプス攻撃やDoS攻撃を防ぎつつ、分散化を維持できるか。

主な発見

• XCMPプロトコルを用いることで、Polkadotはパラチェーン間で信頼なしのクロスチェーン通信を実現し、相互信頼を要しない安全なメッセージ送信を可能にする。
• BABEおよびGRANDPAコンセンサスプロトコルの使用により、プルーフ・オブ・ステークモデル下でも高いスループットと最終性を実現し、強固なセキュリティ保証を得られる。
• レリーフチェーンのプール化されたセキュリティモデルにより、パラチェーンはネットワーク全体のセキュリティを引き継ぎ、個々のチェーンの攻撃表面を顕著に縮小する。
• NPoSバリデーター選出メカニズムにより、ステークの委任と悪意ある行動に対するスラッシュ処理を可能にすることで、高い分散化と経済的セキュリティを達成する。
• Sentryノードは、プライベートなバリデーターノードを直接のピアトラフィックから効果的に隔離し、DoS攻撃や脆弱性の暴露リスクを低減するが、ネットワーク接続性に影響を与えることなく実現される。
• モジュラー設計、特にカスタマイズ可能な暗号、ネットワーキング、ガバナンスを備えた本システムは、プロトコルの拡張性と長期的進化を支援する。