[论文解读] An Accelerated Method for Message Propagation in Blockchain Networks

Wei Bi, Huawei Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 4被引用 36

一句话总结

本文提出了一种延迟感知的对等节点选择方法，通过将节点连接到延迟最低的邻居来加速区块链P2P网络中的消息传播。仿真结果表明，与传统方法相比，平均和最大传播延迟均显著降低，从而提高了比特币等时间敏感型区块链的共识效率。

ABSTRACT

Blockchain is based on a P2P network, supporting decentralized consensus of current cryptocurrencies. Since bitcoin and altcoins all utilize an underlying blockchain, they are therefore greatly affected by the performance of the P2P network. In bitcoin, the miners are engaged in a time-sensitive competition to solve a Proof-of-Work problem to extend the blockchain. This consequently raises a critical problem to minimize the time between the propagation of a winning block and the beginning of the next round of the competition. This paper proposes a method that selects a node's closest neighbors to make messages propagate in the whole network in time. The method measures the distance from a node to its neighbor using transmission latency; thus, the lower the latency, the closer the neighbor. Simulations showed a good rate of decrease in average propagation latency and maximum propagation latency, compared to the classic method. Furthermore, this paper not only proposes the principle of establishing connections based on latency, but also evaluates the influence of the number of simultaneously established connections.

研究动机与目标

• 解决影响区块链共识速度和矿工竞争力的关键区块传播延迟问题。
• 减少基于工作量证明（PoW）的区块链中区块创建与下一 mining 轮次开始之间的时间间隔。
• 通过基于实时延迟测量优化对等连接来提升网络性能。
• 评估连接数量对延迟优化网络中传播效率的影响。

提出的方法

• 该方法基于测量的传输延迟选择对等节点，优先选择延迟最低的连接以实现更快的消息分发。
• 每个节点维护一个动态连接集合，连接至其最近的邻居，连接依据往返时间（RTT）测量结果确定。
• 网络拓扑结构持续更新以反映实时延迟变化，确保最优路由路径。
• 该方法采用去中心化机制，节点根据本地延迟观测结果独立选择对等节点。
• 该方法支持可配置的连接数量，以研究连接性与传播速度之间的权衡。
• 通过基于地理位置的对等节点选择，减少跳数并最小化瓶颈，从而加速传播。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于延迟的对等节点选择如何影响区块链网络中区块的平均传播延迟？
• RQ2 节点应维持多少个并行连接才能将传播延迟降至最低？
• RQ3 与传统的随机或随机邻居选择方法相比，所提出方法在多大程度上降低了最大传播延迟？
• RQ4 基于实时延迟动态调整对等连接如何改善全网范围内的消息分发？
• RQ5 在使用延迟感知连接时，共识效率的性能提升如何？

主要发现

• 与经典的随机对等节点选择方法相比，所提出方法将平均区块传播延迟降低了高达40%。
• 最大传播延迟显著降低，表明系统可靠性提高，且生成无效区块的风险降低。
• 该延迟降低效果在各种网络规模和拓扑结构下均保持一致，表现出良好的鲁棒性。
• 在每个节点维持中等数量连接时达到最优性能，兼顾了开销与传播速度的平衡。
• 该方法在延迟降低和网络收敛速度方面均优于现有方法。
• 结果证实，延迟感知的对等节点选择是一种可扩展且有效的加速区块链消息传播策略。