[論文レビュー] Shard Scheduler: object placement and migration in sharded account-based blockchains

Michał Król, Onur Ascigil+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 32被引用数 8

ひとこと要約

Shard Scheduler は、アカウントベースのシャーディングブロックチェーンにおけるオブジェクト配置および移行を最適化する決定論的で検証可能なシステムである。60シャーディングで、クロスシャーディング取引を50%削減し、スループットを3倍に向上させるとともに、動的負荷分散とインcentiveに整合した移行意思決定により、Chainspaceのスループットを200%以上向上させ、ユーザーのレイテンシを70%削減した。

ABSTRACT

We propose Shard Scheduler, a system for object placement and migration in account-based sharded blockchains. Our system calculates optimal placement and decides of object migrations across shards and supports complex multi-account transactions caused by smart contracts. Placement and migration decisions made by Shard Scheduler are fully deterministic, verifiable, and can be made part of the consensus protocol. Shard Scheduler reduces the number of costly cross-shard transactions, ensures balanced load distribution and maximizes the number of processed transactions for the blockchain as a whole. It leverages a novel incentive model motivating miners to maximize the global throughput of the entire blockchain rather than the throughput of a specific shard. Shard Scheduler reduces the number of costly cross-shard transactions by half in our simulations, ensuring equal load and increasing the throughput 3 fold when using 60 shards. We also implement and evaluate Shard Scheduler on Chainspace, more than doubling its throughput and reducing user-perceived latency by 70% when using 10 shards.

研究の動機と目的

• 頻繁なクロスシャーディング取引と負荷の不均衡によって引き起こされる、シャーディングされたアカウントベースのブロックチェーンにおけるパフォーマンスのボトル neck を解消すること。
• データローカリティを向上させ、取引コストを低減するために、動的で決定論的かつ検証可能なシャーディング間のオブジェクト移行を可能にすること。
• マイナーの行動を、シャーディング単位のパフォーマンスではなく、グローバルなブロックチェーンスループットを最大化することに一致させるインcentiveメカニズムを設計すること。
• クライアント側の変更や追加のコンセンサスラウンドを必要とせず、既存のシャーディングブロックチェーンプロトコルにシームレスに統合できること。
• 新規の手数料インcentiveモデルを通じて、移行意思決定が軽量で効率的かつ経済的に正当化されることを保証すること。

提案手法

• 決定論的でハッシュベースのオブジェクトからシャーディングへのマッピングをベースラインとし、取引アクセスパターンに基づく動的移行意思決定を拡張する。
• マイナーをグローバルスループットの向上に基づいて報酬支払いする、画期的なインcentiveモデルを採用する。
• 追加のコンセンサスメッセージや計算的オーバーヘッドなしに、移行計画を計算する軽量で検証可能なスケジューラを導入する。
• 履歴的な取引アクセスパターンを活用して、頻繁に相互作用するアカウントを同じシャーディングに事前に再割り当てする。
• マイナーが独立して移行意思決定を検証・強制可能であり、コンセンサスの安全性と一貫性を保証する。
• Chainspace や Ethereum 2.0 などの既存のシャーディングブロックチェーンプロトコルと統合可能で、マイナーのソフトウェアへの変更を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シャーディングされたアカウントベースのブロックチェーンにおけるオブジェクト配置および移行を最適化するには、どのようにすればクロスシャーディング取引を最小限に抑えられるか？
• RQ2 決定論的かつ検証可能な移行スケジューラは、コンセンサスのオーバーヘッドを追加せずに、グローバルブロックチェーンスループットを向上させられるか？
• RQ3 マイナーの行動を、シャーディング単位のパフォーマンスではなく、全体のシステムスループットを最大化することに一致させるには、どのようなインcentiveメカニズムが必要か？
• RQ4 動的オブジェクト移行は、ユーザーが感じ取るレイテンシの低減とシャーディング間の負荷分散の改善にどの程度効果的か？
• RQ5 移行意思決定をどの程度軽量にし、既存のシャーディングブロックチェーンアーキテクチャに統合できるか？

主な発見

• 60シャーディングを想定したシミュレーションでは、Shard Scheduler がクロスシャーディング取引数を50%削減し、取引コストを顕著に低減した。
• 60シャーディングで、システムは静的ハッシュベースの配置と比較して、グローバルブロックチェーンスループットを3倍に向上させた。
• 10シャーディングでChainspaceに導入した場合、Shard Scheduler はスループットを2倍以上にし、ユーザーが感じ取るレイテンシを70%削減した。
• 頻繁に相互作用するアカウントを同じシャーディングに事前に移行することで、シャーディング間の負荷分散を確保した。
• インcentiveモデルにより、マイナーが全体のシステムパフォーマンスを最適化することに重点を置くよう動機づけられ、システム全体がより良い性能を発揮するほど手数料が増加した。
• 移行意思決定は完全に決定論的かつすべてのネットワーク参加者が検証可能であり、追加のコンセンサスラウンドなしに信頼できない環境でも強制可能である。