[論文レビュー] Boost Blockchain Broadcast Propagation with Tree Routing

Jia Kan, Lingyi Zou+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2018

Caching and Content Delivery参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ブロックチェーンのブロードキャスト伝搬を高速化し、不要なトラフィックを削減するための、クラスターレプューダンシーを備えた木構造ルーティングモデルを提案する。障害に強いクラスタにノードを階層的にグループ化することで、従来のガッジプロトコルに比べてより高速な収束を達成すると同時に、メッセージの重複を最小限に抑え、P2Pブロックチェーンネットワークにおけるネットワーク効率を向上させる。

ABSTRACT

In recent years, with the rapid development and popularization of BitCoin, the research of blockchain technology has also shown growth. It has gradually become a new generation of distributed, non-centralized and trust-based technology solution. However, the blockchain operation is expensive and transaction is delayed. Take BitCoin as an example. On the one hand, a block is produced every ten minute. On the other hand, once the new block is generated, it takes a certain time to propagate world wide. The slow speed of propagation determines that BitCoin can not use too small block interval time. Ethereum also faces similar problems, so the concept of uncle block was introduced to reduce blockchain forks. This paper introduces a new tree structure based broadcast propagation routing model, providing a novel method to organize network nodes and message propagation mechanism. In oder to avoid the single node failure problem, the tree cluster routing is proposed. The research shows that the tree based routing can accelerate broadcast convergence time and reduce redundant traffic.

研究の動機と目的

• 従来のガッジプロトコルを用いた場合のブロックチェーンP2Pネットワークにおける伝搬遅延と高い冗長性の問題を解決すること。
• 大規模ブロックチェーンネットワークにおける収束速度の向上と帯域幅の無駄遣いの削減。
• 木構造ルーティングにおける単一障害点の脆弱性をクラスターレプューダンシーによって克服すること。
• スケーラブルで効率的かつ信頼性の高いブロックチェーンシステム向けのブロードキャストメカニズムの設計。

提案手法

• 構造的で冗長のないメッセージ伝達を可能にするために、ブロックチェーンノードを階層的な木構造に整理する。
• ノードを3つ以上のノードから成るクラスタにグループ化し、各ノードが同じクラスタ内のピアにメッセージを転送する仕組みを導入することで、クラスターレプューダンシーを実装する。
• 再送信を回避するため、メッセージIDの追跡を用いて、すでに受信済みのメッセージの再転送を防ぐ。
• 直接の親子リンクが遅延または障害した場合に、クラスタ内のピアを介してメッセージを中継できるようにすることで、マルチパスルーティングを可能にする。
• ガッジプロトコルの信頼性と木構造ルーティングの効率性を統合し、ネットワークパフォーマンスを最適化する。
• シミュレーションを用いてモデルを評価し、標準的なガッジプロトコルと比較して収束速度とトラフィック効率を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにすれば、不要なメッセージトラフィックを最小限に抑えながら、ブロックチェーンのブロードキャスト伝搬を高速化できるか？
• RQ2 ブロックチェーンネットワークにおけるガッジプロトコルと木構造ルーティングの間で、パフォーマンス上のトレードオフは何か？
• RQ3 クラスターレプューダンシーは、木構造ルーティングにおける単一ノード障害問題を効果的に緩和できるか？
• RQ4 従来のガッジベースの伝搬と比較して、クラスタリングを施した木構造ルーティングは、収束速度とネットワーク効率をどの程度向上できるか？

主な発見

• 構造的で冗長のないメッセージ転送により、木構造ルーティングモデルはガッジプロトコルに比べてより高速な収束を達成する。
• クラスターレプューダンシーにより、単一ノードの障害によるメッセージ伝搬の失敗が効果的に防止され、ネットワークの信頼性が向上する。
• メッセージIDの追跡により、重複したメッセージの転送を排除することで、ブロードキャストストームが成功裏に防止された。
• ガッジプロトコルが繰り返しノードとの接触を繰り返すのに対し、本モデルは全体のネットワークトラフィックと帯域幅使用量を削減する。
• 理想的な状況下では、木構造モデルはガッジプロトコルよりも少ないサイクルで100%の収束に到達し、1サイクルあたり2^N - 1個のノードが影響を受ける成長率を示す。
• ハイブリッドアプローチにより、ガッジプロトコルの頑健性と木ルーティングの効率性を統合し、ハイパフォーマンスブロックチェーンネットワーク向けのスケーラブルなソリューションを提供する。