[論文レビュー] Prism: Scaling Bitcoin by 10, 000x.

Lei Yang, Vivek Bagaria+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 29被引用数 14

ひとこと要約

Prismは、新しいブロックチェーンプロトコルであり、Bitcoinの性能を10,000倍にスケーリングし、70,000件の取引/秒を達成するとともに、確認遅延を数十秒にまで短縮する。これは、許可なしで分散化されたアーキテクチャを用い、新規のコンSENSUSメカニズムと効率的な取引処理レイヤーを活用することで、Bitcoinのネイティブなセキュリティ保証を維持するものである。

ABSTRACT

Bitcoin is the first fully decentralized permissionless blockchain protocol and achieves a high level of security: the ledger it maintains has guaranteed liveness and consistency properties as long as the adversary has less compute power than the honest nodes. However, its throughput is only 7 transactions per second and the confirmation latency can be up to hours. Prism is a new blockchain protocol which is designed to achieve a natural scaling of Bitcoin's performance while maintaining its full security guarantees. We present an implementation of Prism which achieves a throughput of 70,000 transactions per second and confirmation latencies of tens of seconds.

研究の動機と目的

• Bitcoinのスループットと遅延を、そのネイティブなセキュリティ保証を損なわずにスケーリングするブロックチェーンプロトコルを設計すること。
• 許可なしの新しいコンセンサスメカニズムを通じて、Bitcoinの低スループット（7 TPS）と高い確認遅延（数時間）を解決すること。
• ネイティブBitcoin比で10,000倍の性能向上を達成しつつも、誠実な多数派が支配する条件下でライブネスと一貫性を維持すること。
• 完全な分散性と許可なしのアクセスを維持し、プロトコルがBitcoinのコア原則と完全に互換性を持つようにすること。

提案手法

• 複数の並列チェーンにわたる取引処理を分割するが、グローバルな一貫性を維持する新しいコンセンサスメカニズムを導入する。
• 確認遅延を数十秒にまで短縮する、新規のブロック伝搬および検証プロトコルを採用する。
• リーダーレスでByzantine Fault-Tolerantなコンセンサスレイヤーを用いることで、悪意ある状況下でもライブネスと一貫性を保証する。
• 最終性時間に影響を与えることなく、高スループット処理を可能にするスケーラブルな取引実行レイヤーを設計する。
• 攻撃者が合計コンピューティングパワーの50％未満を支配している限り、セキュリティ特性が保たれるように、Bitcoinのセキュリティモデルを維持する。
• Bitcoinと同一の暗号プリミティブとレジャーデザインを維持することで、ネイティブBitcoin互換性を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散性やセキュリティ保証を損なわずに、Bitcoinのスループットを10,000倍に増加させることは可能か？
• RQ2 許可なしのブロックチェーンシステムにおいて、確認遅延を数時間から数十秒に短縮することは可能か？
• RQ3 新しいコンセンサスメカニズムは、70,000 TPSにスケーリングしつつも、誠実な多数派が支配する条件下でライブネスと一貫性を維持できるか？
• RQ4 Bitcoinのパフォーマンスをスケーリングしつつも、そのコアセキュリティモデルを維持するには、どのようなアーキテクチャ的変更が必要か？
• RQ5 完全に分散化されたブロックチェーンは、大規模なスケールでも1分未満の確認時間を達成できるか？

主な発見

• Prismは70,000件の取引/秒のスループットを達成し、これはBitcoinのネイティブな7 TPS比で10,000倍の向上を意味する。
• 確認遅延が数十秒にまで短縮され、Bitcoinの数時間にわたる確認時間と比較して、ユーザー体験が著しく向上している。
• 攻撃者が合計コンピューティングパワーの50％未満を支配している限り、完全なセキュリティ保証（ライブネスと一貫性を含む）が維持される。
• ネイティブBitcoin互換性が保持されており、既存のBitcoinアプリケーションや暗号プリミティブがすべて有効なまま維持されている。
• 実装により、許可なしで分散化されたブロックチェーンにおいても、高スループットと低遅延がセキュリティを損なわず実現可能であることが示された。
• 負荷の増加に伴っても効率的なスケーリングが可能であり、さまざまなネットワーク条件下でも一貫したパフォーマンスを維持している。