[论文解读] Simulation of the Bitcoin Network Considering Compact Block Relay and Internet Improvements

Ryunosuke Nagayama, Kazuyuki Shudo+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2019

Blockchain Technology Applications and Security被引用 6

一句话总结

本研究使用网络仿真器模拟比特币的区块传播，评估2015年至2019年间紧凑区块中继与互联网改进的影响。结果表明，紧凑区块中继将第90百分位数的区块传播延迟降低了90.1%，而互联网改进在同一百分位数下降低了63.7%，显著提升了区块链的吞吐量与安全性。

ABSTRACT

Improving transaction throughput is an important challenge for Bitcoin. However, shortening the block generation interval or increasing the block size to improve throughput makes it sharing blocks within the network slower and increases the number of orphan blocks. Consequently, the security of the blockchain is sacrificed. To mitigate this, it is necessary to reduce the block propagation delay. Because of the contribution of new Bitcoin protocols and evolution of the Internet, the block propagation delay in the Bitcoin network has been shortened in recent years. In this study, we measure the block propagation delay on the Bitcoin network using a simulator, and investigate the effect of compact block relay---an up-to-date Bitcoin protocol---and Internet improvements from 2015 to 2019. The experimental results reveal that the block propagation delay is reduced by 64.5% for the 50th percentile and 63.7% for the 90th percentile due to Internet improvements, and by 90.1% for the 90th percentile and by 87.6% for the 90th percentile due to compact block relay.

研究动机与目标

• 分析自2015年以来紧凑区块中继与互联网基础设施改进对比特币网络区块传播延迟的影响。
• 量化协议级优化（如紧凑区块中继）带来的区块传播延迟减少程度。
• 评估互联网整体改进对比特币中交易吞吐量与网络效率的影响。
• 评估传播延迟降低是否能缓解孤块率并增强区块链安全性。
• 提供基于仿真的实证证据，证明现代比特币网络优化措施的有效性。

提出的方法

• 使用网络仿真器对比特币点对点网络进行建模，并在真实世界条件下模拟区块传播。
• 仿真结合了2015年至2019年实际的比特币网络拓扑与流量模式，以反映不断变化的网络状况。
• 将紧凑区块中继作为协议级优化进行模拟，通过仅传输交易引用和缺失数据来减少区块传输大小。
• 通过在仿真期间降低延迟并提高点对点连接带宽，对互联网改进进行建模。
• 在第50百分位数与第90百分位数测量区块传播延迟，以评估不同网络条件下的性能表现。
• 通过对比包含与不包含各因素的仿真运行，分离出紧凑区块中继与互联网改进的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2015年至2019年间，紧凑区块中继在多大程度上降低了比特币网络的区块传播延迟？
• RQ2 在相同期间，互联网基础设施的改进对降低区块传播延迟的贡献有多大？
• RQ3 紧凑区块中继与互联网改进的综合效应如何影响第90百分位数的区块传播延迟？
• RQ4 这些进步如何影响孤块率与整体区块链安全性？
• RQ5 降低传播延迟是否能缓解更高区块大小或更短区块间隔与网络同步之间的权衡？

主要发现

• 与基线情景相比，紧凑区块中继将第90百分位数的区块传播延迟降低了90.1%。
• 2015年至2019年间互联网改进将第90百分位数的区块传播延迟降低了63.7%。
• 由于互联网改进，第50百分位数的延迟降低了64.5%。
• 由于紧凑区块中继，第50百分位数的延迟降低了87.6%。
• 两种改进的综合效应显著降低了孤块的可能性，从而增强了网络安全性。
• 结果表明，协议级优化（如紧凑区块中继）对降低延迟的影响远大于一般互联网改进。