Bitcoinの新しいTxリレープロトコルErlay

新しいTxリレープロトコルの提案  Erlay 

1 Erlay  Bitcoinの新しいトランザクションリレープロトコル  https://arxiv.org/pdf/1905.10518.pdf  Bitcoinネットワークのセキュリティはノード間の   接続性に依存し、この接続数が増えればネットワークはより堅牢になる。（現在Bitcoinノードが接続するアウトバウンドピアの数は8）   
単純に接続数を増やすと、現在のリレープロトコルではネットワークで使用される帯域幅もリニアに増える。     接続数の増加に対して帯域幅をほぼ一定に保つ   新しいトランザクションリレープロトコルを提案。  

2 既存のTxリレープロトコル  Peer 1  Peer 2  ① インバウンドピアからTxを受信  ② Txの検証を実施 
inv  ③ inv：hash(Tx)を接続中のピアに送信  ④ Peer 2が対象のTxをまだ持っていない  場合、getdata：hash(Tx)をPeer 1に送信  ⑤ Txメッセージで応答  Tx  getdata  Tx 

3 既存のTxリレープロトコルの特徴  既存のリレープロトコルをFlooding方式と呼ぶ  • 帯域幅  invメッセージはノードが接続中のピア全てに対し送信されるため、  接続中のピアの数をnとすると１Txあたりn × 32バイトの帯域を使用する。  •
迅速な伝播  各ノードが（遅延時間があるものの）接続中の全てのピアにinvを送信するため、ネットワーク全体に迅速にTxの通知を送ることができる。  • データの重複  各ノードは接続中の各ピアからinvを受け取り、そのほとんどは重複したものになることから、冗長的で無駄なデータを受け取っていることになる。    Txのリレーに関しては88%のデータが冗長的で、  ネットワーク・プロトコル全体で使用される全帯域幅の44%を占める 

4 ノードの分類  Bitcoinのネットワークのノードは以下の２つに分類される    • Publicノード  8つのアウトバウンド接続および最大125（設定で変更可能）の  インバウンド接続を持つノードで、いわゆる一般的なフルノード    •
Privateノード  8つのアウトバウンド接続を持つが、インバウンド接続は持たないノード  （軽量ノードなど）    Publicノードを（帯域幅、計算能力、HWリソースの観点から）実行しやすくし、より多くの Privateノードを受け入れられるようにすることが重要 

5 新しいTxリレープロトコルErlay  Txのリレーを2段階に分ける  1. Low-fanout Floodingフェーズ  Flooding方式は拡散という意味では効率的であるため、Public ノードのアウトバウンド接続のピアに対してのみFloodingでTx をリレーする。   
2. Set-reconciliationフェーズ  Low-fanout Floodingのみではネットワーク全体に  伝播できないため、それを補完するフェーズ。  各ノードはローカルの状態と接続中のピアの状態を  定期的に比較し、その差分を計算し不足Txを要求する。   

6 Set-reconciliationフェーズ  エラー訂正符号に基づいた帯域幅効率の高いライブラリMinisketch (https://github.com/sipa/minisketch)を使って、各ノードはローカルset sketchを計算し、維持する。  Peer 1  Peer 2 
① Peer 1は自分のSketchをPeer 2に送る  ※実際には相手との差分の推定値も送る。  Peer 2  sketch  Peer 1  sketch  ② Peer 2は自分のSketchとPeer 1のSketch 対称差を計算する。  Peer 1  sketch  Peer 2  sketch  XOR  diff  =  Sketchは各ノードが持つトランザクションの短縮TXIDで構成される。  ③ Peer 2はdiff sketchから不足分の  短縮TXIDの復元を試みる。  ④ Peer 2が持っていないTxを要求し、Peer 1が持っていないTxを送信する。  Low-fanout floodingフェーズで  伝播されなかったTxは、この同期フェーズでノード間のトランザクションセットの差異を効率的に解消する  ことでネットワーク全体にTxが  いきわたるこをを保証する。  二者間のセットの差分の上限が予測可能である仮定の下復元しているため、実際の差分が推定より大きい場合、デコードに失敗し、二分法を利用して再実行、それでもだめな場合は従来のFloodingへ。   このラウンドを1秒毎に各アウトバウンドピアと行う  

7 まとめ  • ErlayはTxのリレープロトコルを、Txを迅速にネットワークに伝播するための Low-fanout Floodingフェーズと、ネットワークの隅々にまで確実に伝搬させる Set-reconciliationフェーズに分割する。    ◦ Low-fanout
FloodingフェーズではPublicノードのアウトバウンド  接続に対してのみTxの通知を送ることで冗長的なinvの送信を抑制。  ◦ Set-reconciliationフェーズではノード間のメモリプール内のTxの状態差を同期することで、ネットワーク全体にTxの伝播を保証する。    • Erlayにより新しいTxの伝播に必要な帯域幅を84%削減可能。  • 但し、Txがネットワーク全体に伝播するまでにかかる時間は約2.6秒ほど  長くなる。Txの承認が10分に1回であるという側面を考慮すると問題ない範囲のトレードオフと思われる。 

Bitcoinの新しいTxリレープロトコルErlay

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shigeyuki azuchi

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新しいTxリレープロトコルの提案  Erlay

2 既存のTxリレープロトコル  Peer 1  Peer 2  ① インバウンドピアからTxを受信  ② Txの検証を実施

6 Set-reconciliationフェーズ  エラー訂正符号に基づいた帯域幅効率の高いライブラリMinisketch (https://github.com/sipa/minisketch)を使って、各ノードはローカルset sketchを計算し、維持する。  Peer 1  Peer 2

7 まとめ  • ErlayはTxのリレープロトコルを、Txを迅速にネットワークに伝播するための Low-fanout Floodingフェーズと、ネットワークの隅々にまで確実に伝搬させる Set-reconciliationフェーズに分割する。    ◦ Low-fanout