[論文レビュー] TOY: a Total ordering Optimistic sYstem for Permissioned Blockchains.

Yehonatan Buchnik, Roy Friedman|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2019

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 1

ひとこと要約

TOY は、最後の f+1 ブロックが一時的であり、提案者が Byzantine である場合に取り消し可能であるという、楽観的実行を用いる許可ブロックチェーンシステムである。理想的な状況下では、単一のデータセンターで最大 160,000 トランザクション/秒を達成し、10 ノードの地理的に分散した環境でも 512 バイトのトランザクションで 30,000 TPS を達成する。

ABSTRACT

Blockchains are distributed secure ledgers to which transactions are issued continuously and each block is tightly coupled to its predecessors. Permissioned blockchains place special emphasis on transactions throughput. In this paper we present TOY, which leverages the iterative nature of blockchains in order to improve their throughput in optimistic execution scenarios. TOY trades latency for throughput in the sense that in TOY the last f+1 blocks of each node's blockchain are considered tentative, i.e., they may be rescinded in case one of the last f+1 blocks proposers was Byzantine. Yet, when optimistic assumptions are met, a new block is decided in each communication step, which consists of a proposer that sends only its proposal and all other participants are sending a single bit each. Our performance study demonstrates that in a single Amazon data-center, TOY running on 10 mid-range Amazon nodes obtains a throughput of up to 160K transactions per second for (typical Bitcoin size) 512 bytes transactions. In a 10 nodes Amazon geo-distributed setting with 512 bytes transactions, TOY obtains a throughput of 30K transactions per second.

研究の動機と目的

• 許可ブロックチェーンにおける高いトランザクションスループットを実現しつつ、セキュリティと一貫性を維持すること。
• 通常運用時におけるメッセージサイズの最小化により、ブロックチェーンの通信オーバーヘッドを低減すること。
• 最後の f+1 ブロックに Byantine 故障が発生しないという楽観的仮定の下で、高速なブロック最終化を実現すること。
• 単一データセンターおよび地理的に分散した環境を含む実用的導入シナリオにおけるパフォーマンス最適化。
• わずかな一時的ブロックの窓を許容することで、楽観的条件下での高スループットを達成しつつ、遅延とスループットのバランスを取ること。

提案手法

• 楽観的仮定の下で、各通信ステップでブロック最終化が可能な総順序化メカニズムを導入すること。
• 最後の f+1 ブロックを一時的とみなすモデルを採用し、その中のいずれかの提案者が Byantine である場合に取り消しが可能であることを保証すること。
• 各ラウンドごとに参加者間の通信を 1 ビット/ノード に制限し、帯域幅の使用量を顕著に削減すること。
• 提案者に対して、各ラウンドごとに自身の提案のみを送信することを許容し、メッセージのオーバーヘッドを最小限に抑えること。
• ブロックチェーンの反復的性質を活用して、障害が発生しない場合に迅速なブロック伝搬と最終化を実現すること。
• 必要に応じてブロックチェーンを再構成することで、Byzantine 故障からの健全な回復を設計すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 許可ブロックチェーンにおけるスループット向上に楽観的実行を効果的に適用できるか、セキュリティを損なわずに行えるか？
• RQ2 参加者 1 人あたり 1 ラウンドごとに 1 ビットの通信オーバーヘッドに抑えることで、どの程度のパフォーマンス向上が達成できるか？
• RQ3 最後の f+1 ブロックに Byantine 故障がないと仮定したブロックチェーンシステムで、どの程度のスループットが達成可能か？
• RQ4 単一データセンターと地理的に分散した展開の両方において、ネットワークトポロジーの違いに応じて、システムのスループットはどのようにスケーリングするか？
• RQ5 許可ブロックチェーン環境で一時的ブロックを採用する場合、遅延とスループットの間にはどのようなトレードオフが存在するか？

主な発見

• 10 台のミッドレンジノードで構成される Amazon データセンター単体環境では、512 バイトのトランザクションに対して TOY はピークで 160,000 トランザクション/秒を達成した。
• 同様のトランザクションサイズの 10 ノードの地理的に分散した環境でも、TOY は 30,000 トランザクション/秒のスループットを達成した。
• 最後の f+1 ブロックに Byantine 故障が検出されない楽観的条件下でも、システムは高いスループットを維持した。
• 通信オーバーヘッドは顕著に削減され、非提案者参加者 1 人あたり 1 ラウンドごとに 1 ビットの送信量に抑えられた。
• 仮定が成立する場合、通信ステップごとにブロック最終化が可能となり、従来のコンセンサスプロトコルと比較してトランザクションあたりの遅延が顕著に改善された。
• 中央集権的および分散型ネットワーク構成の両方で、パフォーマンスの向上が一貫しており、強力なスケーラビリティと効率性を示した。