[論文レビュー] Untangling Blockchain: A Data Processing View of Blockchain Systems

Tien Tuan Anh Dinh, Rui Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2017

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 111

ひとこと要約

この論文は、4つの中核ビルディングブロックを通じてプライベートブロックチェーン・システムを調査し、BLOCKBENCHをベンチマークとして導入し、Ethereum、Parity、Hyperledger Fabricを評価して、データベースとのパフォーマンスのギャップを露呈し、データベースに触発された改善を提案します。

ABSTRACT

Blockchain technologies are gaining massive momentum in the last few years. Blockchains are distributed ledgers that enable parties who do not fully trust each other to maintain a set of global states. The parties agree on the existence, values and histories of the states. As the technology landscape is expanding rapidly, it is both important and challenging to have a firm grasp of what the core technologies have to offer, especially with respect to their data processing capabilities. In this paper, we first survey the state of the art, focusing on private blockchains (in which parties are authenticated). We analyze both in-production and research systems in four dimensions: distributed ledger, cryptography, consensus protocol and smart contract. We then present BLOCKBENCH, a benchmarking framework for understanding performance of private blockchains against data processing workloads. We conduct a comprehensive evaluation of three major blockchain systems based on BLOCKBENCH, namely Ethereum, Parity and Hyperledger Fabric. The results demonstrate several trade-offs in the design space, as well as big performance gaps between blockchain and database systems. Drawing from design principles of database systems, we discuss several research directions for bringing blockchain performance closer to the realm of databases.

研究の動機と目的

• 分散元帳、暗号技術、合意、スマートコントラクトの4つの次元でプライベートブロックチェーンの最新動向を調査する。
• プライベートブロックチェーンを評価するためのベンチマークフレームワークとしてBLOCKBENCHを導入する。
• 主要なブロックチェーンを経験的に評価してパフォーマンスのボトルネックと設計上のトレードオフを特定する。
• データベースからの設計原則を提供し、今後のブロックチェーンのパフォーマンス改善を指針とする。

提案手法

• ブロックチェーンを公開 vs プライベート、および4つの構成要素（分散元帳、暗号技術、合意、スマートコントラクト）に分類する。
• データ処理ワークロードに対してプライベートブロックチェーンを評価するBLOCKBENCHフレームワークを説明・動機づける。
• BLOCKBENCHを用いてEthereum、Parity、Hyperledger Fabricの経験的評価を実施する。
• パフォーマンスボトルネックを分析し、データベースシステムとブロックチェーンのパフォーマンスを比較する。
• ブロックチェーン改善のための教訓とデータベースに触発された設計原則を論じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンシステムを差別化するコアなビルディングブロックとは何か（分散元帳、暗号、合意、スマートコントラクト）？
• RQ2 プライベートブロックチェーンはデータ処理ワークロード上で互いに、また従来のデータベースと比べてどう性能を出すのか？
• RQ3 どのボトルネックがブロックチェーンの性能を制限し、それを改善するデータベースに触発された原則は何か？
• RQ4 BLOCKBENCHワークロード下でのEthereum、Parity、Hyperledger Fabricの能力とパフォーマンスはどう比較されるか？

主な発見

• ブロックチェーンは現在、データ処理ワークロードを実行する際、最新のデータベースと比較してパフォーマンスが劣る。
• 分散台帳、合意、スマートコントラクト実行には明確な設計上のトレードオフがあり、スループットとレイテンシに影響を与える。
• プライベートブロックチェーンでの決定論的合意を用いる方式（例: PBFT系）は、PoWベースのシステムと比較してパフォーマンスとスケーラビリティが大きく異なる。
• 評価は暗号操作、データアクセスパターン、ネットワーク通信に跨るボトルネックを特定し、パフォーマンスを妨げている。
• データベースに触発された設計原則は、ブロックチェーンのパフォーマンスと効率の向上を導くことができる。