[論文レビュー] Speeding up Block Propagation in Blockchain Network: Uncoded and Coded Designs

Lihao Zhang, Taotao Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、合意形成メカニズムを変更せずに、100倍のトランザクション処理速度（TPS）を実現する、Bitcoin用の新規ブロック伝搬プロトコルを提案する。カットスルーフォワーディングとレートレスエラージャーコーディングをコンパクトブロック伝搬と組み合わせることで、大容量ブロックに対してもブロック伝搬遅延を低減し、セキュリティを維持するとともに、既存のブロックチェーンネットワークへのシームレスな統合を可能にする。

ABSTRACT

We design and validate new block propagation protocols for the peer-to-peer (P2P) network of the Bitcoin blockchain. Despite its strong protection for security and privacy, the current Bitcoin blockchain can only support a low number of transactions per second (TPS). In this work, we redesign the current Bitcoin's networking protocol to increase TPS without changing vital components in its consensus-building protocol. In particular, we improve the compact-block relaying protocol to enable the propagation of blocks containing a massive number of transactions without inducing extra propagation latencies. Our improvements consist of (i) replacing the existing store-and-forward compact-block relaying scheme with a cut-through compact-block relaying scheme; (ii) exploiting rateless erasure codes for P2P networks to increase block-propagation efficiency. Since our protocols only need to rework the current Bitcoin's networking protocol and does not modify the data structures and crypto-functional components, they can be seamlessly incorporated into the existing Bitcoin blockchain. To validate our designs, we perform analysis on our protocols and implement a Bitcoin network simulator on NS3 to run different block propagation protocols. The analysis and experimental results confirm that our new block propagation protocols could increase the TPS of the Bitcoin blockchain by 100x without compromising security and consensus-building.

研究の動機と目的

• BitcoinおよびEthereumにおける低いトランザクション処理速度（TPS）が、強固なセキュリティにもかかわらず実世界の採用を制限しているという問題に取り組む。
• 合意形成プロトコルやデータ構造を変更せずにTPSを向上させ、ブロックチェーンのセキュリティおよびプライバシーを保持する。
• 大容量ブロックの送信時にブロック伝搬遅延を低減し、そうでない場合にスターリーブロック率の上昇とセキュリティの損なわれることを防ぐ。
• 既存のブロックチェーンネットワークに展開可能なスケーラブルで後方互換性のあるネットワーキングプロトコルを設計する。

提案手法

• ストアアンドフォワード方式のコンパクトブロック伝搬を、ブロックチャンクの並列受信とフォワーディングを可能にするカットスルーフォワーディングメカニズムに置き換える。
• 任意の符号シンボルのサブセットから元のブロックを再構築可能にするレートレスエラージャーコーディングを導入し、レジリエンスと帯域幅利用効率を向上させる。
• カットスルーフォワーディングとレートレスコーディングを組み合わせた、Coded Cut-through Compact Block Relaying（Coded Cut-through CBR）プロトコルを設計し、最大の効率を実現する。
• 理論的線形ネットワークモデルを用いてプロトコルの性能を分析し、設計仮定の妥当性を検証する。
• NS3を用いて完全なBitcoinネットワークシミュレータを実装し、さまざまなブロックサイズとプロトコルにおける遅延、スターリーブロック率、伝搬差分の評価を実施する。
• 4つのプロトコル（Standard Relay（SR）、Compact Block Relay（CBR）、Cut-through CBR、Coded Cut-through CBR）を、1 MBから100 MBまでのブロックサイズで評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大容量ブロック環境下で、ストアアンドフォワード方式やコンパクトブロック伝搬と比較して、カットスルーフォワーディングはブロック伝搬遅延を低減できるか？
• RQ2 レートレスエラージャーコーディングは、P2Pブロックチェーンネットワークにおけるブロック伝搬効率をどの程度向上できるか？
• RQ3 カットスルーフォワーディングとレートレスコーディングの組み合わせにより、ブロックサイズが100倍に拡大しても低遅延を維持できるか？
• RQ4 さまざまな伝搬プロトコル下で、ブロックサイズの増加に伴い、伝搬差分要因Δおよびスターリーブロック率はどのように変化するか？
• RQ5 提案されたプロトコルは、合意形成メカニズムやデータ構造を変更せずに100倍のTPS向上を達成できるか？

主な発見

• 100 MBブロック伝搬時、カットスルーフォワーディングCBRは、標準リレーシステム（SR）と比較して中央値遅延を最大3倍、尾遅延を100倍以上低減する。
• Coded Cut-through CBRは、コードレートkの異なる値において、Cut-through CBRと比較して中央値遅延および尾遅延を最大2倍改善する。
• 最適なkを用いたCoded Cut-through CBRの伝搬差分要因Δは、1 MBブロックサイズ時と同等の水準を維持しており、ブロックサイズが100 MBに拡大しても変化しない。
• CBRではブロックサイズが1 MBから100 MBに拡大した際、スターリーブロック率が約30倍に上昇するが、Coded Cut-through CBRでは低く抑えられ、セキュリティが保持される。
• 提案されたプロトコルは、元の1 MBブロックプロトコルと同等の伝搬遅延を維持しながら、合意形成メカニズムやデータ構造を変更せずに100倍のTPS向上を実現する。
• シミュレーション結果は、新規プロトコルがスケーラブルで安全かつ既存のBitcoinネットワークと互換可能であり、プロトコルレベルの変更なしに展開可能であることを確認している。