[論文レビュー] Proofware: Proof of Useful Work Blockchain Consensus Protocol for Decentralized Applications

Zhongli Dong, Young Choon Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 9被引用数 13

ひとこと要約

Proofwareは、ブロックチェーンベースの合意形成プロトコル、有用作業証明（PoUW）を提案し、公共の計算リソースを活用して社会的価値のあるタスクを実行しながら、分散型アプリケーション（dApps）が分散型で運用できる仕組みを提供する。分散型で自己調整可能なクレジット制度とスマートコントラクトを統合することで、AWS EC2と比較して94.6％のコスト削減を達成し、中央集権的会計の代替としての金融的持続可能性、検閲不能性、予測可能な取引コストを実現。自動的価格発見により、自律的かつ安定した価格形成が可能となる。

ABSTRACT

In a blockchain system, consensus protocol as an incentive and security mechanism, is to ensure the participants to build the block honestly and effectively. There are different consensus protocols for blockchain, like Proof of work (PoW), Proof of Stake (PoS), Proof of Space (PoSpace), Proof of Activities etc. But most of these consensus protocols are not designed for doing some useful jobs for society because of too much competition and scalability limitation. Massive electric power and computing resources, including CPU, RAM, storage and sensors have been wasted to run blockchain network based on these consensus protocols. Current frameworks and middleware for building decentralised applications (dApps) are largely limited to simple and less useful jobs. In this paper, we present Proofware which is designed for developers to build their dApps easily with existing public/crowd-based computing resources. Under Proofware, developers can develop and test their own Proof of Useful Work (PoUW) consensus protocols. Also, rather than depending on a centralised accounting system, each dApp has an embedded currency system to keep the whole incentive system decentralised, fair, transparent, stable and sustainable. Based on Proofware, we have built a crowd based video sharing application, called OurTube, as a case study. By the OurTube example, it has shown Proofware significantly improves the productivity to build crowd-based computing system with the features of cost-effectiveness, anti-censorship, elasticity and financial sustainability.

研究の動機と目的

• PoW や PoS といった従来のブロックチェーン合意形成プロトコルが、非有用な計算にエネルギーを浪費するという非効率性と高コストの問題を是正すること。
• 分散型アプリケーション（dApps）が、CPU、ストレージ、センサーなど、未利用の公共の計算リソースを活用して有用な社会的タスクを実行できることを可能にすること。
• 中央集権的会計を代替する分散型で透明性があり安定したインcentiveシステムを設計し、複数のアプリケーション間の相互運用性を支援すること。
• クラウドベースの計算システムにおける金融的持続可能性、スケーラビリティ、市場操作への耐性を確保すること。
• 実世界のdApp、OurTube（分散型動画共有プラットフォーム）を用いて、フレームワークの実現可能性と効率性を実証すること。

提案手法

• 暗号的パズルではなく、有用な計算タスクに基づいてブロックを検証する、新しい合意形成メカニズムとしての有用作業証明（PoUW）を導入する。
• 各dAppにアプリケーション固有の分散型クレジット制度を統合し、リソース提供者に対するブロックチェーンベースの自律的インcentiveを実現する。
• 供給と需要に基づいてクレジット価値を安定化・予測可能な形に保つために、クレジットアダプタ重みモデルを用いた動的で分散型のクレジット価格発見メカニズムを採用する。
• スマートコントラクトを活用してサービス品質（QoS）を定義し、リソース提供者とdAppユーザー間の合意を信頼性のない環境で監査可能に強制する。
• モジュラーな取引構造とガス上限設定により、分散型クレジット交換における予測可能で低コストの取引手数料を確保する。
• 500台の取引ボットを用いた複数ラウンドのシミュレーションにより、さまざまな市場状況下でのクレジット価格発見アルゴリズムの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無駄なハッシュ計算にエネルギーを浪費するのではなく、有用な計算を実行するブロックチェーン合意形成プロトコルを設計できるか？ これにより、エネルギーとリソースの効率が向上するか？
• RQ2 複数のdAppsにわたる公平性、透明性、持続可能性を確保するため、分散型で自己調整可能なクレジット制度をどのように実装できるか？
• RQ3 自律的クレジット価格発見が、クラウドベースの計算システムにおける市場操作をどれほど防止し、価格安定を確保できるか？
• RQ4 Proofware上に構築されたdAppのコストとパフォーマンスは、従来のクラウドベースのデプロイと比較してどの程度異なるか？
• RQ5 分散型クレジット交換モデルは、スケーリングに伴っても予測可能で低コストの取引コストを維持できるか？

主な発見

• Proofware上に構築された分散型動画共有dApp、OurTubeは、Amazon EC2上で同様のアプリケーションを稼働させる場合と比較して、コストの5.4％にまで抑えた。これは顕著なコスト効率の向上を示している。
• 分散型クレジット交換システムにより、予測可能な取引コストが達成され、実際のガス使用量が常に上限値を下回った。これにより、金融的予測可能性が確保された。
• クレジット価格発見アルゴリズムは、供給と需要の変動に応じて安定的かつ予測可能なクレジット価格を維持した。価格の価格弾力性は経済理論と整合していた。
• シミュレーション結果から、クレジットアダプタ重みを0.5に設定した場合、OurTubeクレジットの価格が供給と需要に線形的に応答することが確認され、市場要因へのモデルの感受性が裏付けられた。
• クレジットアダプタ重みを0.8に引き上げた場合、供給変動に対する感受性が低下し、期待通りに価格安定性が向上した。これは、制御された価格安定性の実現を示している。
• 取引モジュラリティ分析から、dAppクレジットタイプごとに明確なコミュニティが特定された。これは、本システムが複数のアプリケーションをサポートする分散型クレジットエコシステムを実現できることを裏付けている。