[論文レビュー] Resource Pools and the CAP Theorem

Andrew Lewis-Pye, Tim Roughgarden|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 16被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、リソースプールという抽象化により、ユーザ選択を定式化することで、許可なしブロックチェーンプロトコルを統一的に分析するフレームワークを導入する。部分的に同期的環境下で、リソースプールのサイズを事前に知らない状態では、最終性（finality）と適応性（adaptivity）を同時に達成することは不可能であることを示すCAP定理の類似版を証明する。

ABSTRACT

Blockchain protocols differ in fundamental ways, including the mechanics of selecting users to produce blocks (e.g., proof-of-work vs. proof-of-stake) and the method to establish consensus (e.g., longest chain rules vs. BFT-inspired protocols). These fundamental differences have hindered "apples-to-apples" comparisons between different categories of blockchain protocols and, in turn, the development of theory to formally discuss their relative merits. This paper presents a parsimonious abstraction sufficient for capturing and comparing properties of many well-known permissionless blockchain protocols, simultaneously capturing essential properties of both proof-of-work and proof-of-stake protocols, and of both longest-chain-type and BFT-type protocols. Our framework blackboxes the precise mechanics of the user selection process, allowing us to isolate the properties of the selection process which are significant for protocol design. We illustrate our framework's utility with two results. First, we prove an analog of the CAP theorem from distributed computing for our framework in a partially synchronous setting. This theorem shows that a fundamental dichotomy holds between protocols (such as Bitcoin) that are adaptive, in the sense that they can function given unpredictable levels of participation, and protocols (such as Algorand) that have certain finality properties. Second, we formalize the idea that proof-of-work (PoW) protocols and non-PoW protocols can be distinguished by the forms of permission that users are given to carry out updates to the state.

研究の動機と目的

• PoWとPoSの違いや、長さチェーン型とBFT型の構造の違いに関係なく、多様な許可なしブロックチェーンプロトコルを統一的に数学的に分析するフレームワークの構築。
• ユーザ選択プロセスの影響を明確にし、内部メカニズムをブラックボックス化するリソースプールの抽象化により、その影響を形式的に定式化すること。
• 部分的に同期的ネットワークを想定した場合の、ブロックチェーンプロトコルにおける最終性と適応性の根本的トレードオフを明確にすること。
• ユーザ選択と状態更新ロジックを分離することで、モジュラーなプロトコル設計と分析を可能にすること。
• 将来のゲーム理論的拡張や、異なるプロトコルクラスにおける承認証明の形式的定式化の基盤を築くこと。

提案手法

• 各ユーザがハッシュレートやステークといったバランス（リソース）を保有するリソースプールモデルを導入し、ブロックチェーン状態の更新権を決定する。
• プールサイズが既知（例：PoS）の「サイズあり」設定と、未知（例：PoW）の「サイズなし」設定を区別し、不確実性下でのプロトコル動作を分析する。
• 部分的に同期的ネットワークモデルを適用し、ライブネスと一貫性を研究する。メッセージ遅延と最終的な同期の到達をモデル化する。
• ライブネスにプールサイズの事前知識が不要である適応性、およびブロックの不可逆的承認を示す最終性の正式な定義を用いて、プロトコルのトレードオフを分析する。
• 分散システム分野の不可能性証明技術を用い、プールサイズが未知の「サイズなし」設定では、最終性と適応性が同時に達成できないことを示す。
• 承認メカニズムを比較：BFTプロトコルは署名付きオブジェクトによる承認証明を提供するが、適応的プロトコルでは、承認の確認を確認するためには全メッセージ状態の検査が必要である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bitcoin（PoW、長さチェーン型）とAlgorand（PoS、BFT型）のような根本的に異なるブロックチェーンプロトコルを比較できる統一フレームワークを開発可能か？
• RQ2 実装詳細に依存せず、プロトコル動作を決定づけるユーザ選択プロセスの本質的特性は何か？
• RQ3 部分的に同期的ネットワークを想定した場合、許可なしブロックチェーンにおける最終性と適応性に根本的トレードオフが存在するか？
• RQ4 最終性に基づくプロトコル（例：Algorand）と適応的プロトコル（例：Bitcoin）の承認メカニズムにはどのような相違があり、信頼性と検証にどのような影響を及えるか？
• RQ5 ユーザ選択とコンセンサスロジックを分離することで、フレームワークがモジュラーなプロトコル設計を支援できるか？

主な発見

• 本論文は、ブロックチェーンプロトコルにおけるCAP定理の類似版を証明する。部分的に同期的ネットワーク下では、リソースプールのサイズが未知の場合、最終性と適応性を同時に保証することは不可能である。
• 最終性を達成するプロトコル（例：Algorand）はリソースプールサイズの知識を必要とし、適応性を欠くが、逆に適応的プロトコル（例：Bitcoin）は最終性を提供できない。
• 「サイズあり」と「サイズなし」の設定の区別は極めて重要である。サイズなし設定では、同一の一貫性およびライブネスの保証下で最終性を達成することは不可能である。
• BFT型プロトコルにおける最終性は、委員会署名などの署名付きオブジェクトの集合によって確立され、これらは自己完結的な承認証明として機能する。
• Bitcoinのような適応的プロトコルでは、承認が自明ではない。ユーザは、ブロックがまだ承認済みとみなされているかを確認するため、全メッセージ状態を検査する必要がある。
• このフレームワークにより、プロトコルファミリー間の形式的比較が可能となり、ユーザ選択メカニズムを「許可者（permitters）」インタフェースに抽象化することで、モジュラーなプロトコル設計を支援する。