[論文レビュー] vDLT: A Service-Oriented Blockchain System with Virtualization and Decoupled Management/Control and Execution

F. Richard Yu|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 22被引用数 7

ひとこと要約

vDLTは、管理／制御を実行から分離し、仮想化を活用して、遅延、スループット、コスト、プライバシーなどのさまざまな品質保証（QoS）要件を満たすサービス指向のブロックチェーンシステムを提案する。サービスをQoSに配慮した階層に分類し、動的かつ隔離された仮想DLTインスタンスを可能にすることで、従来のブロックチェーンシステムと比較してスケーラビリティ、分散性、適応性が向上する。

ABSTRACT

A wide range of services and applications can be improved and/or solved by using distributed ledger technology (DLT). These services and applications have widely varying quality of service (QoS) requirements. However, most existing DLT systems do not distinguish different QoS requirements, resulting in significant performance issues such as poor scalability and high cost. In this work, we present vDLT -- a service-oriented blockchain system with virtualization and decoupled management/control and execution. In vDLT, services and applications are classified into different classes according to their QoS requirements, including confirmation latency, throughput, cost, security, privacy, etc. This is a paradigm shift from the existing "blockchain-oriented" DLT systems to next generation "service-oriented" DLT systems. Different QoS requirements are fulfilled by advanced schemes inspired by the development of the traditional Internet, including classification, queuing, virtualization, resource allocation and orchestration, and hierarchical architecture. In addition, management/control and execution of smart contracts are decoupled to support QoS provisioning, improve decentralization, and facilitate evolution in vDLT. With virtualization, different virtual DLT systems with widely varying characteristics can be dynamically created and operated to accommodate different services and applications.

研究の動機と目的

• すべてのアプリケーションを均等に扱う従来のブロックチェーンシステムのスケーラビリティおよびQoSの制限を解消すること。
• 低遅延、低コスト、高プライバシーといった異なる要件を有する多様なサービスが、1つのDLTプラットフォーム上で効率的に共存できるようにすること。
• 管理／制御を実行から分離することで、分散性の向上、動的リソース割り当ての支援、システム部品の独立した進化を可能にすること。
• 異なる特性を有する複数の隔離された仮想DLTシステムをサポートする階層的で仮想化されたアーキテクチャを導入すること。
• 自己修正可能なガバナンスモデルを確立し、多要因合意形成と2次関数投票を用いて、分散性を損なわずに持続可能なプロトコル進化を実現すること。

提案手法

• 確認遅延、スループット、コスト、セキュリティ、プライバシーなどの要件に基づいて、サービスをQoSクラスに分類すること。
• 合意形成、ノード選定、リソース割り当てなどの管理／制御機能を実行から分離し、独立した最適化を可能にすること。
• 仮想化を実装し、特定のサービスクラスに適合した複数の隔離された仮想DLTシステムを動的に作成・管理すること。
• ローカルおよびグローバルな管理／制御ノードを備えた階層的アーキテクチャを用いて、システム性能のスケーリングと中央集権的圧力の低減を図ること。
• インフレーションとステーキングを含むトークンベースのインcentiveメカニズムを導入し、積極的参加の報酬化とシステムのセキュリティを確保すること。
• 不正行為およびフリー・ライディングを防止するペナルティメカニズムを、担保の没収と証拠に基づく報告によって強制すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異種のアプリケーション間で多様な品質保証（QoS）要件を効果的かつ効率的に満たすブロックチェーンシステムは、どのように実現できるか？
• RQ2 DLTシステムにおいて、管理／制御を実行から分離するために、どのようなアーキテクチャ的・運用的変更が必要か？
• RQ3 仮想化を活用して、性能およびセキュリティ特性が異なる複数の隔離されたDLTインスタンスをどのように構築できるか？
• RQ4 分散性を損なわずに持続可能な自己修正的進化を実現するためのガバナンスメカニズムとは何か？
• RQ5 フリー・ライディングを防止し、長期的なシステム整合性を保証するためのインcentiveおよびペナルティシステムは、どのように設計できるか？

主な発見

• vDLTは、リアルタイム決済や低コストのIoTトランザクションといった、著しく異なるQoS要件を持つサービスが、1つの統合システム内で共存できることを実現した。
• 管理／制御を実行から分離することで、vDLTは分散性を向上させるとともに、合意形成、リソース割り当て、実行の独立した最適化を可能にした。
• 仮想化の活用により、特定のサービスクラスに適合した複数の仮想DLTシステムを動的に作成でき、柔軟性と隔離性が向上した。
• 階層的管理／制御アーキテクチャにより、ローカルおよびグローバルな制御ノードに負荷を分散させることで、スケーラビリティが向上した。
• 多要因合意形成と2次関数投票を組み合わせた自己修正ガバナンスモデルにより、段階的テストと投票を経て、安全でコミュニティ主導のプロトコル進化が可能になった。
• ステーキングと担保の没収を含むインcentiveおよびペナルティメカニズムにより、悪意ある行動やフリー・ライディングが効果的に抑止され、システムの信頼性が向上した。