[論文レビュー] A New Hybrid Consensus Protocol: Deterministic Proof Of Work

Zhuan Cheng, Gang Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、マップリダクス・プルーフ・オブ・ワーク（PoW）マイニングアルゴリズムと実用的ビザンチン故障耐性（PBFT）検証を組み合わせたハイブリッドブロックチェーン合意形成プロトコル、決定的プルーフ・オブ・ワーク（DPoW）を提案する。PoW計算をノード間でシャーディングし、PBFTによる決定的最終性を保証することで、分散性を損なわず、高いスケーラビリティと強い整合性を達成し、近似瞬時の取引最終性と51％攻撃および二重支出攻撃に対する耐性を実現する。

ABSTRACT

The Decentralized-Consistent-Scale (DCS) Triangle defines three dimensions that illustrate the tradeoffs of the blockchain consensus mechanism. In this paper, we propose a new hybrid consensus protocol, called Deterministic Proof of Work (DPoW), which can reach high levels of scalability and consistency without significant reduction to decentralization. Our protocol introduces a Map-reduce PoW mining algorithm to perform alongside Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) verification, which together allow for transactions to be confirmed immediately, largely improving scalability. In addition, the protocol is designed such that forking cannot occur, ensuring strong consistency and security against a multitude of attacks. The Map-reduce PoW mining process ensures that no single entity can control the network, guaranteeing decentralization. We analyzed the security of our protocol by evaluating the possibility of double spending attacks, and furthermore, conducted experiments which demonstrate our claims.

研究の動機と目的

• ブロックチェーン合意形成メカニズムにおけるスケーラビリティ・分散性・整合性（DCS）のトレードオフを解消すること。
• 純粋なPoW（低スループット、エネルギー浪費）およびPBFT（スケーラビリティの問題、分散性の低下）の限界を克服すること。
• 高速で決定的な最終性を実現しつつ、強固なセキュリティと分散性を維持するハイブリッドプロトコルを設計すること。
• シャーディングと分散マイニングにより、PoWにおけるエネルギー消費と冗長計算を削減すること。

提案手法

• PoW探索空間をシャーディングし、各シャーディングを異なるマイナーに割り当てることで、冗長計算を排除するマップリダクスPoWアルゴリズムを提案する。
• 二段階の合意形成プロセスを導入する：(1) シャーディングされた計算による分散PoWマイニング、(2) 選出された検証者グループによるPBFTベースの検証。
• PBFTに1/3の故障耐性閾値を採用し、検証者の1/3未満が故障している限り、敵対的状況下でも合意に到達可能であることを保証する。
• 決定的最終性を採用：PBFTグループによってブロックが検証されると、そのブロックは不可逆的となり、フォークが排除され、即時の最終性が可能になる。
• 合意形成に参加する検証者の選出メカニズムを設計し、レピュテーションスコアやランダムシードを組み込むことで、共謀に対する耐性を向上させられるようにする。
• 効率的なブロックブロードキャストを実現するため、IBLTとブルームフィルタを採用し、ピアツーピア通信におけるネットワークオーバーヘッドを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッド合意形成プロトコルは、スケーラビリティ、整合性、分散性を同時に達成でき、DCS三角形トレードオフを克服できるか？
• RQ2 マップリダクス手法によるPoW計算のシャーディングは、セキュリティを損なわず、エネルギー消費と計算時間を顕著に削減できるか？
• RQ3 PBFT検証は、高スループットのブロックチェーンシステムにおいて、決定的最終性を確保し、フォークを防止できるか？
• RQ4 提案されたプロトコル下で、PBFT検証レイヤーにおいて、何人までの悪意ある検証者が合意を損なうことができるか？
• RQ5 従来のPoWおよびPBFTシステムと比較して、本プロトコルは二重支出攻撃および51％攻撃に対してどのように耐性を示すか？

主な発見

• プロトコルは決定的最終性を達成する：PBFTグループによってブロックが検証されると、そのブロックは不可逆的となり、フォークが排除され、即時の取引最終性が可能になる。
• 検証者の1/3未満が悪意ある場合、PBFTグループはすべてのブロックを正しく検証し、整合性とセキュリティを保証する。
• 検証者の2/3を超える場合、悪意ある検証者が共謀して無効なブロックを誤って承認する可能性があることから、理論的な2/3攻撃閾値が確認された。
• 実験では、悪意ある検証者が1/3未満のグループはすべてのブロックを正しく検証したが、2/3を超える悪意ある検証者がいるグループでは、常に無効なブロックを受理した。
• マップリダクスPoWアルゴリズムにより、ブロックごとのPoW解決時間が分散計算によって顕著に短縮され、スケーラビリティ向上とエネルギー浪費の削減が達成された。
• プロトコルは51％攻撃に耐性を示し、実効的な攻撃閾値を66.6％まで引き上げ、従来のPoWおよびPBFTシステムを上回るセキュリティを実現した。