[論文レビュー] Service-Oriented Sharding with Aspen

Adem Efe Gencer, Robbert van Renesse+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 7被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、Bitcoinの信頼できないモデルを損なわずに、複数の分散型サービス向けに安全でスケーラブルなブロックチェーン展開を可能にするサービス指向のシャーディングプロトコル、Aspenを提案する。サービス番号を用いてトランザクションをサービスごとに分割し、共有チェックポイントを共有することで、ユーザーは関連データのみを検証できる。これによりリソースのオーバーヘッドとブートストラップ時間の削減が可能となり、同時にプルーフ・オブ・ワークとポイズン取引を用いて強力なセキュリティ保証が得られる。

ABSTRACT

The rise of blockchain-based cryptocurrencies has led to an explosion of services using distributed ledgers as their underlying infrastructure. However, due to inherently single-service oriented blockchain protocols, such services can bloat the existing ledgers, fail to provide sufficient security, or completely forego the property of trustless auditability. Security concerns, trust restrictions, and scalability limits regarding the resource requirements of users hamper the sustainable development of loosely-coupled services on blockchains. This paper introduces Aspen, a sharded blockchain protocol designed to securely scale with increasing number of services. Aspen shares the same trust model as Bitcoin in a peer-to-peer network that is prone to extreme churn containing Byzantine participants. It enables introduction of new services without compromising the security, leveraging the trust assumptions, or flooding users with irrelevant messages.

研究の動機と目的

• Bitcoinのようなモノリシックブロックチェーンに複数のサービスを展開することによって生じるスケーラビリティおよび信頼性の問題に対処すること。
• マイニングパワーの分散を引き起こさずに、多様なブロックチェーンベースのサービスの安全で効率的かつ拡張可能な展開を可能にすること。
• ユーザーが関連するデータのみを検証できるようにし、ブートストラップ時間とリソース消費量を削減すること。
• シャーディングを可能にしつつも、信頼できないモデル（信頼できる実体なし、許可なしのアクセス）を維持すること。
• 全データに対するグローバルコンセンサスを必要とせずに、シャーディング間で二重支出を防ぎ、強力な一貫性を保証すること。

提案手法

• 共通のジェネシスブロックから出発する共有チェックポイントを備えた、サービス固有のチャネルにブロックチェーンを分割する。各チャネルは独自の取引セットを持つ。
• 各サービスに固有のサービス番号を割り当て、取引のルーティングと選択的検証を可能にする。
• 各ブロックのセキュリティをプルーフ・オブ・ワークで確保し、共有チェックポイントを用いてチャネル間のグローバル一貫性を維持する。
• 最長チェーンルールにランダムなタイブレーカーを組み合わせ、キーブロックおよびマイクロブロックのフォーク保護を実装。また、ポイズン取引を用いる。
• 調整可能なキーブロック頻度により、改ざんを個々のマイナー・エポックに限定し、攻撃表面積を低減する。
• ピアツーピアネットワークにByzantine参加者を含むBitcoinと同一の信頼モデルを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全データに対するグローバルコンセンサスを必要とせず、信頼できない監査可能性を損なわずにブロックチェーンのシャーディングを実現できるか？
• RQ2 レジャーブロブの肥大化を防ぎつつ、複数のサービスを1つのブロックチェーンインfra上で安全にかつスケーラブルに共存させられるか？
• RQ3 ユーザーが関連するデータのみを追跡すればよく、強力なセキュリティ保証を維持できるようなシャーディングが可能か？
• RQ4 全ノードが全取引データを格納・処理する必要がない状況で、サービス間取引の有効性をどのように保証できるか？
• RQ5 Bitcoinの信頼モデルへの最小限の変更で、二重支出や改ざんに対する抵抗性を維持しながらシャーディングを実現できるか？

主な発見

• Aspenにより、ユーザーは自身の特定サービスに関連するブロックチェーンのサブセットのみを検証できるため、ブートストラップ時間とリソース使用量が顕著に削減される。
• プロトコルはBitcoinの信頼モデルを維持しており、信頼できる実体や許可された参加者に依存しない。
• 共有チェックポイントとプルーフ・オブ・ワークを用いて、サービス間での二重支出が防止され、シャーディング間で強力な整合性が保証される。
• 改ざんは個々のマイナー・エポックに限定されるため、悪意あるまたは不具合のあるマイナーの影響が低減される。
• すべてのサービスにわたって元のブロックチェーンの総計算パワーを維持することで、マイニングパワーの分散を回避する。
• Aspenは、セキュリティや下位レベルの信頼仮定に変更を加えずに、動的なサービス統合をサポートする。