[論文レビュー] Scaling Nakamoto Consensus to Thousands of Transactions per Second

Chenxing Li, Peilun Li+4 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 12被引用数 140

ひとこと要約

Conflux は、同時ブロックを処理する DAG ベースの Nakamoto コンセンサスを導入し、総ブロック順序と総取引順序を導出して数千 TPS を達成する。20k ノードまで評価され、確認時間は 4.5–13.8 分。

ABSTRACT

This paper presents Conflux, a fast, scalable and decentralized blockchain system that optimistically process concurrent blocks without discarding any as forks. The Conflux consensus protocol represents relationships between blocks as a direct acyclic graph and achieves consensus on a total order of the blocks. Conflux then, from the block order, deterministically derives a transaction total order as the blockchain ledger. We evaluated Conflux on Amazon EC2 clusters with up to 20k full nodes. Conflux achieves a transaction throughput of 5.76GB/h while confirming transactions in 4.5-7.4 minutes. The throughput is equivalent to 6400 transactions per second for typical Bitcoin transactions. Our results also indicate that when running Conflux, the consensus protocol is no longer the throughput bottleneck. The bottleneck is instead at the processing capability of individual nodes.

研究の動機と目的

• フォークによる損失を生じさせず、同時ブロック処理を可能にすることで、従来の Nakamoto コンセンサスのスループットのボトルネックに対処する。
• 総ブロック順序から遅延的に取引順序を調整する DAG ベースのコンセンサスを提案する。
• 標準的なブロックチェーンの仮定の下で、安全性と不可逆性の特性を示す。
• Bitcoin および GHOST と比較するため、大規模クラウドインフラストラクチャ上でプロトタイプを実装・評価する。

提案手法

• 並行ブロックを捉えるために、親エッジと参照エッジを持つ DAG としてブロックの関係を表現する。
• GHOST ルールによるピボットチェーンを用いて、台帳の安定で不可逆なバックボーンを定義する。
• ピボットチェーンを用いて DAG をエポックに分割し、各エポック内のブロックを決定論的にトポロジカルソートする。
• ブロック総-order からトランザクションの総順序を導出するために、衝突を考慮した楽観的整合化により、トランザクションを調整する。
• Bitcoin Core ベースの実装を修正して DAG ブロードキャストと古いブロックの処理をサポートし、Conflux が高スループットで動作できるようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAG ベースのコンセンサスは、同時ブロック間で安全かつ効率的に総ブロック順序を達成できるか？
• RQ2 Conflux のピボットチェーンとエポックベースの順序付けが、トランザクションの確認時間とスループットに与える影響は？
• RQ3 現実的なネットワーク条件下で、Conflux の性能はチェーンベースの Nakamoto プロトコル（Bitcoin、GHOST）とどう比較されるか？
• RQ4 正直なノードがブロック生成で攻撃者を上回る場合の安全性と生存性（ライブネス）保証は？
• RQ5 数万ノード規模で展開した場合の実用的なスループットと確認遅延はどれくらいか？

主な発見

• Conflux は 40 Mbps/ノードの帯域幅で、5.76 GB/h のスループットを達成（典型的な Bitcoin トランザクションでの 6400 TPS に相当）
• 20 Mbps/ノードの帯域幅では、Conflux は 2.88 GB/h のスループットを達成し、確認は 4.5–7.4 分。
• 試験条件下で、Conflux はスループットで Bitcoin と GHOST を約 11.62 倍上回り、Algorand を上回る。
• Conflux のボトルネックは、コンセンサスから個々のノードの処理能力（例: ネットワーク帯域）へシフトする。
• コンセンサス保証は、ピボットチェーンの不可逆性と2エッジ DAG 構造に依存し、同時ブロックを安全に統合する。