[論文レビュー] Practical Low Latency Proof of Work Consensus

Yang Lei, Xuechao Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2019

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 4

ひとこと要約

Prism++ は、Bitcoin レベルのセキュリティを維持しながら 80,000 件以上のトランザクション/秒にスケーリングし、数十秒未塔の低遅延トランザクション承認を達成する、画期的なプルーフ・オブ・ワーク共識プロトコルを導入する。並列チェーンと共同で設計された承認ルールを活用し、悪意ある攻撃の最悪ケースを明示的にモデル化することで、スループットやセキュリティを犠牲にすることなく、証明可能な低遅延承認を実現する。

ABSTRACT

Bitcoin is the first fully-decentralized permissionless blockchain protocol to achieve a high level of security, but at the expense of poor throughput and latency. Scaling the performance of Bitcoin has a been a major recent direction of research. One successful direction of work has involved replacing proof of work (PoW) by proof of stake (PoS). Proposals to scale the performance in the PoW setting itself have focused mostly on parallelizing the mining process, scaling throughput; the few proposals to improve latency have either sacrificed throughput or the latency guarantees involve large constants rendering it practically useless. Our first contribution is to design a new PoW blockchain Prism++ that has provably low latency and high throughput; the design retains the parallel-chain approach espoused in Prism but invents a new confirmation rule to infer the permanency of a block by combining information across the parallel chains. We show security at the level of Bitcoin with very small confirmation latency (a small constant factor of block interarrival time). A key aspect to scaling the performance is to use a large number of parallel chains, which puts significant strain on the system. Our second contribution is the design and evaluation of a practical system to efficiently manage the memory, computation, and I/O imperatives of a large number of parallel chains. Our implementation of Prism++ achieves a throughput of over 80,000 transactions per second and confirmation latency of tens of seconds on networks of up to 900 EC2 Virtual Machines.

研究の動機と目的

• PoWブロックチェーンにおける低遅延承認と強力なセキュリティの間の根本的トレードオフを解消すること。
• Prism やその他の先行並列チェーンプロトコルが、承認ルールに大きな定数を含むため、現実的でない高遅延上限に苦しむという制限を克服すること。
• 数千の並列チェーンにわたるメモリ、I/O、計算を効率的に管理する実用的なシステムを設計すること。
• スパム攻撃、検閲、バランス攻撃などの積極的攻撃下でのプロトコルの耐性を評価すること。
• 理論的な低遅延保証が、効率的な実装と最適化を通じて実際のシステムでも実現可能であることを示すこと。

提案手法

• 悪意ある攻撃の最悪ケースを明示的に特徴づけた新しい承認ルールを導入し、逆転確率のタイトな上限を実現する。
• 提案者ブロックが複数の独立したボーター・チェーンから得る投票によって承認される並列チェーンアーキテクチャを採用し、各チェーンは最長チェーンルールを適用する。
• 敵対的マイニング下での確実な承認誤差確率を導出するために、連続時間・無限時間ホライズンモデルを用いる。
• トランザクション処理におけるランダムなタイミングジッタを導入し、遅延によるトランザクションの含めを遅らせる仕組みでスパム攻撃を緩和する。
• データベースチューニング（RocksDB）、効率的なシリアル化、I/Oに配慮したトランザクション処理を通じて、システム性能を最適化する。
• 敵対的マイニングパワーが最大 20% に達してもセキュリティとパフォーマンスを維持できるようにプロトコルを設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PoW 共識プロトコルは、Bitcoin と同等の証明可能なセキュリティ保証を備えた低遅延承認を達成できるか？
• RQ2 最悪ケースの敵対的攻撃モデルに基づく承認ルールは、スループットを犠牲にすることなく、実用的な低遅延承認を可能にするか？
• RQ3 数千の並列チェーンにわたる大規模かつ高スループットな PoW システムを、管理可能な I/O およびメモリオーバーヘッドで効率的に実装できるか？
• RQ4 スパム攻撃、検閲、バランス攻撃などの積極的攻撃下で、プロトコルはどの程度の性能を示すか？
• RQ5 ジッタリングやデータベースチューニングといったシステムレベルの最適化は、実世界のパフォーマンスにどの程度の向上効果をもたらすか？

主な発見

• Prism++ は、最大 900 台の EC2 虚擬マシンからなるネットワークで、1 秒あたり 80,000 件を超えるスループットを達成した。
• 承認遅延は数十秒まで短縮され、敵対的条件下でも最長チェーンプロトコルの 6 倍以上も速くなった。
• 理論的分析と実験により、敵対的マイニングパワーが最大 20% に達しても、Bitcoin レベルのセキュリティを維持した。
• CPU 使用状況の内訳では、RocksDB の I/O 操作がレジャープロセッシング全体の 49.5% を占めており、データベース最適化の重要性が浮き彫りになった。
• 最大 5 秒のランダムなタイミングジッタにより、スパムトランザクションの含めが約 80% 減少し、スパム攻撃の効果的抑制が確認された。
• 敵対的クライアントが 20% を占めるバランス攻撃下でも、承認遅延は最長チェーンプロトコルの 6 倍以上も低く保たれた。