[論文レビュー] Talaria: A Framework for Simulation of Permissioned Blockchains for Logistics and Beyond

Jiali Xing, David S. Fischer+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 25被引用数 6

ひとこと要約

Talaria は、pBFT や PoA といった共通合意プロトコルの、ネットワーク状態や障害条件の変化に応じた迅速な実現可能性分析を可能にする、モジュラーでオープンソースの許可ブロックチェーンシミュレータである。動的トランザクション負荷、複数のバイラス的障害タイプ、複数日にわたるシミュレーションをサポートしており、物流やサプライチェーン応用分野における実際のブロックチェーンシステムの展開前に、性能、一貫性、耐障害性を評価できる。

ABSTRACT

In this paper, we present Talaria, a novel permissioned blockchain simulator that supports numerous protocols and use cases, most notably in supply chain management. Talaria extends the capability of BlockSim, an existing blockchain simulator, to include permissioned blockchains and serves as a foundation for further private blockchain assessment. Talaria is designed with both practical Byzantine Fault Tolerance (pBFT) and simplified version of Proof-of-Authority consensus protocols, but can be revised to include other permissioned protocols within its modular framework. Moreover, Talaria is able to simulate different types of malicious authorities and a variable daily transaction load at each node. In using Talaria, business practitioners and policy planners have an opportunity to measure, evaluate, and adapt a range of blockchain solutions for commercial operations.

研究の動機と目的

• ビジネスおよび政策意思決定者によるブロックチェーン技術の導入に伴う高コストと不確実性を軽減するため、実装前の実現可能性分析を可能にする。
• BlockSim などの既存のブロックチェーンシミュレータを拡張し、pBFT や簡略化された PoA といった実用的共通合意プロトコルをサポートする許可ブロックチェーンを対象とする。
• アクティブおよびパasiveなバイラス的管理者（Byzantine authorities）の多様な障害行動をモデル化するとともに、変動するトランザクション負荷を組み合わせ、現実的なシステム評価を可能にする。
• 初期実装を越えて、追加の許可共通合意プロトコルの今後の統合をサポートするモジュラーなフレームワークを提供する。
• サプライチェーン関係者が、制御可能でスケーラブルなシミュレーション環境下で、ブロックチェーンの性能、一貫性、障害耐性を評価できるツールを提供する。

提案手法

• Talaria は BlockSim のアーキテクチャを拡張し、共通合意ロジック、ネットワーク行動、トランザクション生成を分離するモジュラー設計を採用して、許可ブロックチェーンのシミュレーションを可能にする。
• 実装済みの実用的バイラス的障害耐性（pBFT）および簡略化された承認証明（PoA）共通合意プロトコルに加え、他の許可ブロックチェーンプロトコルへの拡張性を備える。
• 3 種類のバイラス的管理者（Type 1：アクティブ、ブロックを悪意的に改ざん、Type 2：パasive、40% の確率でメッセージを破棄、Type 0：無害）をモデル化する。
• ノードごとに設定可能な毎日の負荷で周期的なトランザクションブロードキャストをサポートし、複数日分のシミュレーションによる現実の物流負荷を再現可能にする。
• 各ノードごとに共通合意の結果を追跡し、ブロック数、ビュー変更回数、チェーン一貫性といったメトリクスを用いて、障害状態下でのラーニングおよびセーフティの分析を可能にする。
• Talaria は DLA のサプライチェーンシミュレータと統合され、物流文脈におけるブロックチェーン行動のエンドツーエンド評価を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブおよびパasiveなバイラス的管理者が、pBFT をベースとする許可ブロックチェーンにおける共通合意のラーニングおよびブロック生成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 変動するトランザクション負荷およびネットワーク状態が、許可ブロックチェーンシステムのパフォーマンスおよび一貫性に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ3 Talaria のようなシミュレーションフレームワークは、サプライチェーン応用における実際のブロックチェーン行動（障害耐性およびチェーン一貫性を含む）を正確にモデル化できるか？
• RQ4 メッセージ破棄とブロック改ざんといった異なる障害タイプが、ビュー変更回数およびブロック最終化時間に与える影響は何か？
• RQ5 故障ノード数が故障耐性しきい値（f = ⌊(n−1)/3⌋）に対して相対的にどの程度の影響を及ぼすか、それが健全ノード間のブロックチェーン一貫性に与える影響は何か？

主な発見

• 13 ノードの pBFT 環境で 3 つの障害ノードを想定した場合、最初の 3 つのリーダーが悪意ある場合、連続して 3 回のビュー変更が発生し、ブロック最終化が遅れ、レイテンシが増加した。
• 13 人の管理者のうち 5 人がアクティブなバイラス的（Type 1）の場合、有効な共通合意メッセージが不足したため、正当なチェーンにブロックが追加されず、pBFT の安全要件 f ≤ 4 を満たさない状態となった。
• 5 人のパasiveなバイラス的ノード（Type 2）が 40% の確率でメッセージを破棄した場合、15 ノード中 13 ノードが一貫性のあるチェーンを維持したが、ブロック 19 以降、非管理者ノードが、有効な管理者クォーラム（2f+1 = 9）が不足したために遅れを生じた。
• バイラス的ノード数が pBFT の耐性限度内（f = 4）に収まっていた場合、ランダムな動作を示す Type 2 故障であっても、すべての健全ノードで一貫性のあるブロックチェーンが維持された。
• 部分的に故障した（Type 2）管理者が、完全に悪意ある（Type 1）または健全なノードと比較して、メッセージ伝搬の遅延および一貫性のないクォーラム形成のため、トランザクション処理が長引いた。
• Talaria は、システムの一貫性が、故障耐性しきい値に対して、バイラス的ノードの数と行動に強く依存することを成功裏に実証し、導入前のリスク評価に有効であることを裏付けた。