[論文レビュー] A Pub-Sub Architecture to Promote Blockchain Interoperability

Sara Ghaemi, Sara Rouhani+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 23被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、異種の許可ブロックチェーン間での相互運用性を可能にする、ブローカーブロックチェーンを用いた発行/購読アーキテクチャを提案している。このアーキテクチャにより、既存システムの変更を最小限に抑えながら、発行者と購読者がデータを交換できる。プロトタイプはHyperledger Fabricを基盤とし、Hyperledger BesuおよびFabricでテストされた結果、1秒あたり何百ものトランザクションを達成した。その中で、PublishToTopicが主なパフォーマンスボトルネックであることが特定された。

ABSTRACT

The maturing of blockchain technology leads to heterogeneity, where multiple solutions specialize in a particular use case. While the development of different blockchain networks shows great potential for blockchains, the isolated networks have led to data and asset silos, limiting the applications of this technology. Blockchain interoperability solutions are essential to enable distributed ledgers to reach their full potential. Such solutions allow blockchains to support asset and data transfer, resulting in the development of innovative applications. This paper proposes a novel blockchain interoperability solution for permissioned blockchains based on the publish/subscribe architecture. We implemented a prototype of this platform to show the feasibility of our design. We evaluate our solution by implementing examples of the different publisher and subscriber networks, such as Hyperledger Besu, which is an Ethereum client, and two different versions of Hyperledger Fabric. We present a performance analysis of the whole network that indicates its limits and bottlenecks. Finally, we discuss the extensibility and scalability of the platform in different scenarios. Our evaluation shows that our system can handle a throughput in the order of the hundreds of transactions per second.

研究の動機と目的

• 隔離された異種の許可ブロックチェーンネットワークが原因で生じるブロックチェーン相互運用性の課題に対処すること。
• 既存システムへの大幅な変更を要せず、ブロックチェーン間でのシームレスなデータおよびアセットの移転を可能にすること。
• 信頼できる中間者としてのブローカーブロックチェーンを用いて、分散型でスケーラブルかつ拡張可能な相互運用ソリューションを設計すること。
• 実世界のシナリオにおける提案アーキテクチャのパフォーマンスおよびスケーラビリティを評価すること。
• アクセス制御およびデータプライバシーを向上させるための未来の強化策を特定すること。

提案手法

• 発行者（ソースブロックチェーン）と購読者（宛先ブロックチェーン）の間で共有するデータを表すトピックを管理する分散型中間者として、ブローカーブロックチェーンを導入する。
• 発行者（ソースブロックチェーン）はトピックを作成し、更新をブローカーに発行する。一方、購読者（宛先ブロックチェーン）は特定のトピックに興味を示す登録を行う。
• トピックのライフサイクル、サブスクリプション、メッセージ配信を管理するために、ブローカーブロックチェーン上にスマートコントラクトを用いる。
• プロトタイプは、ブローカーとしてHyperledger Fabric 2.2を採用し、発行者および購読者ネットワークとしてHyperledger Besuおよび2つのバージョンのHyperledger Fabricを用いて実装された。
• 負荷状態を変化させた条件下でスループット、レイテンシ、トランザクション成功確率を測定するため、ベンチマークツールを用いたパフォーマンス評価が実施された。
• プライベートチャネルの導入や分散型アクセス制御メカニズムとの統合可能性を活用することで、拡張性が確保されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型でスケーラブルかつ軽量な発行/購読アーキテクチャは、異種の許可ブロックチェーン間での相互運用性をどのように実現できるか？
• RQ2 ブローカーブロックチェーンは、クロスチェーンのデータ発行および購読処理において、どの程度のパフォーマンス上限に達するか？
• RQ3 負荷が増加する条件下で、ブローカーネットワークのどのコンponent が主なパフォーマンスボトルネックとなるか？
• RQ4 本システムは、多数の参加ブロックチェーンおよび購読者をどの程度までサポートできるか？
• RQ5 分散性を損なわずに、アクセス制御およびデータプライバシーを発行/購読モデルに統合するにはどうすればよいか？

主な発見

• ブローカーブロックチェーンプロトタイプは、1秒あたり何百ものトランザクションを達成し、提案アーキテクチャの実現可能性を示した。
• PublishToTopicが主なパフォーマンスボトルネックであることが特定され、70 TPSを超える送信レートでスループットの低下とレイテンシの増加が観察された。
• 送信レートが120 TPSに達する段階で、スループットに顕著な低下とレイテンシの上昇が発生し、現在の構成におけるハードウェア制限が顕在化した。
• 送信レートが120 TPSを超えると、トランザクション成功確率が100%未満に低下し、ブローカーネットワークがその運用限界に達していることが確認された。
• システムは非常に拡張可能であり、Hyperledger Fabricのスケーラビリティを活用して、ブローカーネットワークに少なくとも100のピアをサポートできる可能性を有する。
• 将来的な強化策として、プライベートチャネルや分散型アクセス制御の導入により、データプライバシーの向上と細粒度のアクセス管理が可能になる。