[論文レビュー] SimBlock: A Blockchain Network Simulator

Yusuke Aoki, Kai Otsuki+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

SimBlock は、ノードの行動（近隣ノード選択やリレーネットワークなど）を簡単に設定できるイベント駆動型ブロックチェーンネットワークシミュレータであり、特にブロックプロパゲーション時間のモデリングと分析を可能にする。これはビットコインに類似した挙動を正確に再現し、最適化された近隣ノード選択とリレーネットワークにより、ブロックプロパゲーション時間を 30% 以上短縮できることを示している。また、5% のリレーネットワーク参加率では、プロパゲーション時間をベースラインの 70% 未満にまで短縮できる。

ABSTRACT

Blockchain, which is a technology for distributedly managing ledger information over multiple nodes without a centralized system, has elicited increasing attention. Performing experiments on actual blockchains are difficult because a large number of nodes in wide areas are necessary. In this study, we developed a blockchain network simulator SimBlock for such experiments. Unlike the existing simulators, SimBlock can easily change behavior of node, so that it enables to investigate the influence of nodes' behavior on blockchains. We compared some simulation results with the measured values in actual blockchains to demonstrate the validity of this simulator. Furthermore, to show practical usage, we conducted two experiments which clarify the influence of neighbor node selection algorithms and relay networks on the block propagation time. The simulator could depict the effects of the two techniques on block propagation time. The simulator will be publicly available in a few months.

研究の動機と目的

• 実世界のネットワークデータへのアクセス制限と高いコストのため、大規模なブロックチェーン実験が困難であるという問題に対処すること。
• 研究者がノード行動やネットワーク構成を簡単に変更できる柔軟で正確なシミュレータを開発すること。
• 近隣ノード選択アルゴリズムとリレーネットワークがブロックチェーンシステムにおけるブロックプロパゲーション時間に与える影響を評価すること。
• 実際のブロックチェーン測定結果と照合してシミュレータを検証し、実用的な研究に有効であることを示すこと。

提案手法

• SimBlock は、ブロック生成とメッセージ送受信を離散的イベントとしてモデル化するイベント駆動型シミュレータである。
• ノード行動（ブロック生成確率や近隣ノード選択など）は、マイニング戦略やネットワーキング戦略のシミュレーションに合わせて簡単にカスタマイズ可能である。
• ブロックプロパゲーションは、重複した大容量ブロックの送信を避けるために INV および GETDATA メッセージを交換するピアツーピアプロトコルを用いてシミュレートされる。
• シミュレータは設定可能なネットワークトポロジーをサポートしており、ユーザー定義のアルゴリズムに基づいた動的近隣ノード選択も可能である。
• リレーネットワークは、参加ノードに 10 倍の帯域幅を割り当てることでモデル化され、ブロックの迅速な拡散を再現する。
• シミュレーションパラメータは、ブロック生成確率やネットワークサイズを含め、ビットコインの設定に合わせてキャリブレーションされている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンネットワークにおける近隣ノード選択アルゴリズムの選択が、ブロックプロパゲーション時間にどのように影響を与えるか？
• RQ2 リレーネットワークは、ブロックチェーンシステムにおけるプロパゲーション遅延をどの程度短縮できるか？
• RQ3 リレーネットワークへの参加率が、参加ノードと非参加ノード間のプロパゲーション時間の差にどのように影響するか？
• RQ4 このシミュレータは、実世界のブロックチェーン行動、特にブロックプロパゲーション特性を正確に再現できるか？

主な発見

• 提案された近隣ノード選択アルゴリズムにより、固定近隣ノード構成と比較して中央値のブロックプロパゲーション時間が 30% 以上短縮された。100 ブロック経過後でさえも改善が確認された。
• 計算能力の高いノードは、近隣ノード選択メカニズムの影響でネットワーク内で中心的役割を果たす傾向にあり、ネットワークバイアスの発生を引き起こす可能性がある。
• リレーネットワークへの参加率が 5% である場合、すべてのノードにおける中央値のブロックプロパゲーション時間が元の時間の 70% 未満にまで短縮された。
• リレーネットワーク参加ノード間のブロックプロパゲーション時間は、ベースラインネットワークと比べて著しく速く、参加率が高くなるほど性能が向上した。
• シミュレータの結果は実世界の測定結果とよく一致しており、ブロックチェーン研究における正確性が検証された。
• このシミュレータは、さまざまなネットワーク構成やプロトコルの効率的な実験を可能にし、将来のコンパクトブロック送信のサポートも想定している。