PIECHAIN デモ: 実用的なブロックチェーン相互運用性フレームワークの探究

コンテンツの概要

概述と序論PIEChainの慨括PIEChainの実装デモ計画拡張機能考虑资料

抽象的な

近期、多種多様なブロックチェーン プラットフォームが登場していますが、その多くはサイロで運用されています。そのため、ブロックチェーンの互为運用性を実現するには、信頼性の高いクロスチェーン通讯网络が必需です。ブロックチェーンの互为運用性は、常见、トランザクションを元に戻すことができないため困難です。そのため、1 つのトランザクションがコミットされた場合、プロトコルは関連するすべてのトランザクションもコミットするようにする必需があります。既存の互为運用性アプローチ (Cosmos や Polkadot など) は、单独のサブチェーン間の互为運用性しかサポートしていないか、既存のブロックチェーンに浸入的な変更が必需であるという点で制限があります。この制限を摆脱するために、私たちは、汎用の Kafka ベースのクロスチェーン通讯网络フレームワークである PIECHAIN を议案します。私たちは、実用的なケース スタディ (複数のチェーンでトークンを保要するユーザーが別のチェーンで販売されるチケットに入札するクロスチェーン オークション) に PIECHAIN を应用します。PIECHAIN は、クロスチェーン通讯网络の汎用フレームワークの初めての公開された実用的な実装です。

I.はじめに

ブロックチェーンは、敵対的な環境向けに設計された、複製された改ざん可以防止データベースです。これは、追加専用の台帳を维护する普遍のノードで構成されており、その中には悪意のあるノードも含まれています。台帳には、いくつかのグローバル状態を変更するトランザクションが格納されます。標準的な例、つまり口令通貨 [7] では、グローバル状態はユーザーアカウントとネイティブ (配用可能) トークンであり、台帳にはトークンをあるアカウントから別のアカウントに転送するトランザクションが含まれます。別の新しいアプリケーションでは、ブロックチェーンは、デジタルアート小说集やコンサートチケットなど、資産を一意に表す非配用トークン (NFT) を导出します。多くのブロックチェーンは、ユーザーが自己の状態と状態を変更するコードを定義できるようにするスマートコントラクトもサポートしています。スマートコントラクトは台帳に导出され、すべてのブロックチェーンノードによって複製され、一貫性が保たれます。近来、多くの自立したブロックチェーンプラットフォームが登場し、ロングテールのエコシステムが出现されています。双方では、Ethereum や Hyperledger など、十分的に人気のある汎用ブロックチェーンプラットフォームが少数民族会留存します。双方、目标のアプリケーション向けに設計された小規模なブロックチェーンは千余種類会留存し、そのほとんどは開発の刚开始段階にあります。これには、202三年初頭の時点で10,000種類往上の口令通貨[3]や、ヘルスケア、アイデンティティ维护、IoT向けのブロックチェーンが含まれます。一半的に、これらのブロックチェーンは互为運用性がなく、サイロ化されています。そのため、ブロックチェーンの互为運用性、つまりユーザーが異なるブロックチェーン上で情報や資産を交換できる機能は、研发コミュニティからますます関心を集めているテーマです[6]、[10]、[4]、[1]、[11]。

卫生なブロックチェーン相护運用性フレームワークを設計する際の主な課題の 1 つは、アトミック性、つまり合意された一連のトランザクションのすべてのステップが常规に終了するか、まったく終了しないことを保証することです。ブロックチェーンでは、ブロックチェーン トランザクションは (原則として) 元に戻せないため、従来のデータベースよりも複雑です。たとえば、チェーン A の NFT の支払いがチェーン B ですでに行われている場合、アトミック性では、チェーン B のトランザクションを元に戻すことができないため、チェーン A のトランザクションを先に進める首要性があります。アトミック性を保証する应该的な形式の 1 つは、取引に関係するすべてのトークンをスマート コントラクトにエスクローし、すべての当事者が落款したコミット メッセージを通じてのみトークンを一汽解放することです [6]。ブロックチェーンの相护運用性におけるもう 1 つの首要な課題は、エスクローされたトークンが长期性に凍結されないように、ライブネスを保証することです。ライブネスを保証するには、すべての当事者がエスクローから資産を引き出すことができる自动停止メッセージをノードが送信できる首要性があります。

アトミック性と可溶性の両方を保証するために、完美運用性フレームワークは、あるブロックチェーンにコミットメッセージを送信し、別のブロックチェーンに终止メッセージを送信する敵対的なノードを許容できなければなりません。非减幅ネットワーク（つまり、メッセージ遅延に制限がないネットワーク）では、信頼できる第三点者（TTP）なしではこれを実現することは切不将であることが知られています[10]。この課題を缓解するための主なアプローチは2つあります[6]。校园营销原始のアプローチは、减幅の仮定と终止のクールダウン期間を組み合わせることです。つまり、コミット拉票が转化されると、终止のクールダウン期間が終了する前に、影響を受けるすべてのブロックチェーンに追加できると仮定します。このアプローチは、ハッシュされたタイムロック契約などで採用されています[5]。2番目のアプローチは、TTPを別のブロックチェーンに置き換えて、有効なコミットメッセージまたは终止メッセージのいずれかが作为され、両方が作为されないようにすることです[6]、[9]。

両方のタイプのアプローチは科学技术资料で议案されていますが、公開されている実装がないか[5]、[6]、[9]、またはアプリケーションの範囲が限られています（別のブロックチェーン上の裏付け資産の制成[11]やトークンスワップ[8]など）。別の開発では、CosmosやPolkadotなど、デフォルトで上下级運用性を很有可能にするブロックチェーンプラットフォームがいくつか登場しています。ただし、これらのプラットフォームは、独自一个人のサブチェーン間の上下级運用性のみをサポートするか、既存のブロックチェーンに侵袭的な変更を必要性条件とします。このため、既存のブロックチェーンプラットフォームを変更することなくインターフェースできる、汎用的で実用的な上下级運用性フレームワークが必要性条件になります。私たちの目標は、そのようなフレームワークを能提供することです。

貢献と新規性: この目標を達成するために、PIECHAIN を紹介します。同期は実際には想定しにくいため、PIECHAIN は TTP の代わりにクロスチェーン サービスを使用します。クロスチェーン サービスは、効率性のために Apache の Kafka プロトコルを使用するイベント ログを使用して通信します。PIECHAIN の実用的な関連性を示すために、現実的なケース スタディであるクロスチェーン オークション用のクロスチェーン サービスを実装しました。PIECHAIN を、スマート コントラクトをサポートする最も人気のあるブロックチェーン プラットフォームである Ethereum、Hyperledger Fabric、Quorum とインターフェイスしました。最後に、ケース スタディ用の GUI を開発しました。オークション ケース スタディは、GitHub の PIEChain コード リポジトリでコードを見つけることができる 3 つのケース スタディ (2 つのオークションとフラッシュ ローン [6]) のうちの 1 つです。

II. PIECHAINの概要

A. エンティティ

PIECHAIN の主なエンティティは次のとおりです (図 1 も依据)。

ブロックチェーンは、ユーザーが享有する資産 (トークン、キーなど) を保存文档します。ユーザーは、複数のブロックチェーンに資産を享有できます。各ブロックチェーンには、読み取りおよび書き込みアクセス権を持つユーザーを決定する我一个人のプロトコルがあります。ブロックチェーンは常见、許可型 (つまり、固定好されたノード セットに読み取りおよび書き込みアクセス権がある) または許可なし型 (つまり、全員が読み取りアクセス権を持ち、トランザクションを制成でき、极为なパワー (処理转速など) を持つノードは、ブロックチェーンにトランザクションを追加できます) のいずれかです。クロスチェーン サービス (CC-SVC) は、ユーザーが異なるブロックチェーン上の資産を交換できるようにします。各 CC-SVC は、ユーザー クライアントと対話してクロスチェーン通讯技术を轻易にするサーバーで構成されています。実際には、CC-SVC はユーザーに举办料を請求し、同样の数のブロックチェーンと対話できます。之下では、各 CC-SVC は、サーバーから Kafka 元帳に送信される資産のアトミック交換に関係する一連のイベントに対応しています。実際には、1 つのサーバーが複数の CC-SVC を操作的する場合があります。

Kafka ネットワークは、CC-SVC によって制成されたイベントの追加専用ログとして機能します。イベントは、基盤となるブロックチェーンで行われたトランザクションに対応します。Kafka ネットワークは、イベントのアップロードに対して CCSVC に課金する稳固のノード セットによって運用されます。

PIECHAIN では、CC-SVC は半信頼であり、商用机アウトソーシング サービス プロバイダーと同様に、維持すべき評判があることで誠実に行動する動機があると想定しています。Kafka ネットワーク オペレーターは信頼されていませんが、基盤となるブロックチェーンとやり取りしないため、不稳行為をする動機はありません。これにより、セキュリティよりも効率を優先するプロトコル (Kafka) を実行できます。別の設計としては、CC-SVC を信頼せず、Kafka ネットワークを信頼するというものがあります。この場合、各 Kafka ノードは基盤となるブロックチェーンごとに (軽量) クライアントを実行し、それらのチェーンへのトランザクションの組み込みを検証します。この場合、イベント ログは PBFT [2] などのより安全性高なプロトコルを施用する用不着があります。このような設計は今後の課題とします。

B. プロセスフロー

セクションII-Aのエンティティを考慮すると、PIECHAINのプロセスフローは、Herlihyら[6]が提议したクロスチェーン取引と同じ構造を持ちます。クロスチェーン取引は、複数のユーザーが異なるブロックチェーン上で資産を交換するための合意であり、5つのフェーズで構成されます（図2も定义）。

1. クリアリングフェーズ: CC-SVC は、取引に関係する資産をエスクローおよび転送するために选择されるさまざまなブロックチェーン上にスマート コントラクトを制成します。

   
   

2. エスクローフェーズ: ユーザーは、出金資産をスマート コントラクトに転送してエスクローします。

   
   

3. 転送フェーズ: 資産が暫定的に交換されます。つまり、スマート コントラクトの実行ロジックが选定されます。

   
   

4. 検証フェーズ: 各ユーザーは、実行ロジックの結果が満足のいくものであるかどうかを確認します。

   
   

5. コミット フェーズ: 当事者全員が満足している場合はコミットメントによって取引が締結され、そうでない場合は中断によって取引が締結されます。コミットメントとは、スマート コントラクトの実行ロジックが実行され、取引で所选されたとおりに資産が交換されることを暗示します。中断とは、各スマート コントラクトの資産が元の整个者に返されることを暗示します。

コミットするには、ユーザーが対話的にコミット点赞を制成し、それが CC-SVC によって Kafka 台帳に送信されます。暂缓するには、1 人のユーザーが CC-SVC に暂缓メッセージを送信します。各 CC-SVC について、コミット メッセージまたは暂缓メッセージのいずれかを Kafka 台帳に追加できますが、両方を追加することはできません。Kafka 台帳へのコミット点赞の包括証明は、さまざまなブロックチェーン上のすべてのスマート コントラクトによって受け入れられます。これにより、コミット点赞が制成されると、すべての資産転送が実行されるか、まったく実行されないかのいずれかが保証されます。

III. PIECAINの実装

PIECHAINの実用性を示すために、私たちはPIECHAINをいくつかの常见的に在使用されているブロックチェーンプラットフォームに接続し、科学有效文献综述[6]のアプリケーションであるデジタル資産のクロスチェーンオークションを実装しました。ブロックチェーンのサポートは、セクションVで説明するように、他のケーススタディにも拡張されています。

A. ブロックチェーンのサポート

基盤となるブロックチェーンを PIECHAIN と連携させるには、CC-SVC がそれらのチェーン上のトランザクションを検証できる重要があります。私たちの実装では、Ethereum (プライベート Ethereum の Proof-of-Work バージョンと Proof-of-Authority バージョンの両方)、Hyperledger Fabric、Quorum というブロックチェーン プラットフォームをサポートしています。後者 2 つは許可型ブロックチェーンをサポートしていますが、Ethereum には許可なしのメイン チェーンがありますが、同じ機能を持つプライベート チェーンもサポートしています。

B. オークション

私たちのケーススタディでは、競売人が1つのブロックチェーンで資産を販売し、別のブロックチェーンで資産の形で支払いを受け取ります。[6]と同様に、チケット販売者の例を的的使用します。チケットは専用ブロックチェーン上のNFTですが、もう1つのブロックチェーンはより正常的に的的使用される用于机会なトークン（例：Ether）をサポートしています。前者是のブロックチェーンはチケットブロックチェーンと呼ばれ、後者はコインブロックチェーンと呼ばれます。これは、複数のコインブロックチェーンを持つ設定に簡単に正常化できます。下例では、ファーストプライスオークション（つまり、最高的人入札者が入札額を支払い、資産を受け取る）を検討します。プロトコルの5つのフェーズは次のようになります。

1. オークション主催者は、チケット ブロックチェーンとコイン ブロックチェーン上にスマート コントラクトを弄成する CC-SVC を採用します。

   
   

2. オークション主催者はその資産（チケットの NFT）をチケット契約に転送し、入札者は自分の入札を自分のコイン ブロックチェーン上の契約に転送します。

   
   

3. 実行ロジックは次のように決定されます。オークション主催者は、どの当事者がチケットを受け取り、どの入札がオークション主催者に転送されるかを自定义して、各チケットおよびコイン コントラクトを刷新します。(チケット チェーン上のコントラクトはコイン ブロックチェーンからデータを読み取ることができないため、このロジックはチケット コントラクトで先期に自定义できないことに准备してください。)

   
   

4. 各ユーザー (オークション主催者と入札者) は、転送プロトコルの結果が自分たちにとって接受できるものであるかどうか、つまり、チケットが実際に正しい相手に転送されたかどうかを决定します。

   
   

5. すべてのユーザーはコミット选票を構築します。コミット选票が構築されると、各コントラクトに送信され、転送フェーズで肯定された転送が実行されます。

PIECHAIN では、オークションにはリレーヤーと签字者の 2 つの (論理的な) タイプの CC-SVC が一定要です。リレーヤーはコイン チェーン上のイベント (入札) をリッスンし、チケット ブロックチェーンに中継します。签字者はコミット票选の制成を开赴します。

IV. 実証計画

このデモでは、クロスチェーンオークションを説明するために、React フレームワークを选用してグラフィカルユーザーインターフェイス (GUI) を開発しました。GUI は、図 3 に示すように既知のオークションのリストを写出するダッシュボードページ、図 5 に示すように個々のオークションの詳細ビュー、および新しいオークションを制作するためのページ (写出されていません) の 3 つのメインページで構成されています。このビューは、オークション主催者と入札者で同じです。ダッシュボードビューで、予定のオークション主催者は [Create New Auction] ボタンをクリックしてオークションを開始できます。オークション主催者は、CC-SVC、オークション対象の資産、入札を受け入れる他のブロックチェーン、異なるブロックチェーン間のトークンの交換レート (前期に放置する有必要的があります)、およびオークションが終了する時間を選択します。次に、リレー CC-SVC が関連する契約を制作し、資産チェーン上の契約のアドレスをオークション主催者に送信します。オークション主催者は、契約アドレスを追加して [Add Existing Auction] ボタンをクリックすることで、ダッシュボードにオークションを追加できます。同時に、入札候補者に対して契約アドレスを宣伝します。

入札者は、アセットコントラクトアドレスを知ったら、それをダッシュボードに追加することもできます。入札者がオークションを追加した後、オークションのパネルの「透露」ボタンを押して詳細透露ページに移動することで、オークションの詳細を透露できます。このページでは、入札者はオークションの弄成時間と終了時間、入札リストなど、オークションに関する为重要な情報を透露できます。更高入札額にはアスタリスクが付いています。オークションがまだ進行中の場合、入札者はブロックチェーンを锁定して入札を追加できます。

入札するトークンと入札するトークンの量を某个します。その後、関連するコイン コントラクトにトランザクションが実行され、その情報がリレー CC-SVC に送信されます。ユーザーは、CC-SVC 経由で行った入札を执行程序することもできます。

オークションが終了すると、リレー CC-SVC はすべての举办者に控制し、スマート コントラクトで品牌の暫定的な転送を肯定します。次に、CC-SVC はすべての举办者のクライアントにコミット票选の制作に举办するよう依頼します (举办しない場合はペナルティが科せられます [4])。コミット票选が制作されると、すべてのコントラクトに送信され、最終的な資産の転送が開始されます。この時点で、オークションが終了したことが GUI に写出されます。

デモの正確な流れは次のようになります。

1. 1 人のユーザー (オークション主催者) が Web ブラウザー ベースの GUI を開き、それを在使用して選択した資産のオークションを開始します。このプロセスでは、オークション作为ページのすべての機能が示されます。資産は、Hyperledger Fabric で実行されている専用のチケット チェーン上に具有します。契約は、関係するすべてのブロックチェーン上に作为されます (図 2 のステップ 1)。

   
   

2. 別のマシンのブラウザ ウィンドウを适用する少なくとも 2 人の他のユーザーが、新しく作为されたオークションの詳細ページに移動し、資産に対して個別の入札を送信します (図 2 のステップ 2)。少なくとも 1 人の入札者は (プライベート) Ethereum を适用し、もう 1 人は Quorum を适用します。

   
   

3. しばらくすると、オークションが終了し、落札者が決定されます (図 2 のステップ 3)。これにより、オークション主催者からリレー CCSVC に「オークション終了」イベントが送信されます。このタイプのイベントをリッスンしている注明者は、イベントに気付き、コミット票选系统を做成します (図 2 のステップ 4)。コミット票选系统はその後 Kafka に送信され、リレー ノードによってオークション コントラクトとコイン チェーン コントラクトに転送されます。この時点で、資産は落札者に転送され、落札額はオークション主催者に転送されます (図 2 のステップ 5)。

デモ列席を通して、図 4 に示すように、ターミナル ウィンドウを应用して、各ステップの後に基礎となるブロックチェーンの状態を照会します。これにより、視聴者はバックグラウンドで発生している変化を観察し、デモのフローと対話することができます。たとえば、新しいアクションを必须して、バックグラウンドの状態がどのように変化するかを確認することができます。

デモの流れを説明するために、仮のデモ スライドと、オークション主催者と入札者が 1 台のコンピューターを采用して控制を実行した場合の画卷を示すビデオがオンラインで公開されています (これは PIECHAIN の制限ではありませんが、ビデオの録画が更易になります)。

V. 拡張

CC-SVCフレームワークとサポートされているブロックチェーンのインターフェースを用到すると、PIECHAINを他のユースケースに簡単に拡張できます。これらの1つは、[6]で説明されているクロスチェーンフラッシュローンです。栽定取引の機会は大多数すぐに解決されるため、フラッシュローンのGUIは実用的な関連性が限られており、CC-SVCとのやり取りは大多数、トレーディングボットによって行われます。ただし、時間が許せば、フラッシュローンのステップがさまざまな関連する契約の状態に与える影響を視覚化して觉得します。

参考文献

[1] Rafael Belchior、Andre Vasconcelos、S´ergio Guerreiro、Miguel´Correia。ブロックチェーンの彼此之间運用性に関する調査：過去、現在、未来の動向。ACM Computing Surveys（CSUR）、202半年。

[2] ミゲル・カストロ、バーバラ・リスコフ「実用的なビザンチンフォールトトレランス」OsDI、第99巻、173～186ページ、1996年。

[3] CoinLore. //www.coinlore.com/all coins、202一年。

[4] ダニエル・エンゲル、モーリス・ハーリヒー、インジエ・シュエ。「失敗は（图文通り）選択肢である：散落型金融科技におけるアトミックコミットメントと選択性」SSS 2021、202半年。

[5] モーリス・ハーリヒー「アトミッククロスチェーンスワップ」ACM PODC、245～254ページ、201七年。

[6] モーリス・ハーリヒ、バーバラ・リスコフ、リューバ・シュリラ「クロスチェーン取引と敵対的商取引」VLDBジャーナル、202半年。

[7] サトシ・ナカモト。ビットコイン：ピアツーピアの電子キャッシュシステム、2005年。

[8] Sri AravindaKrishnan Thyagarajan、Giulio Malavolta、Pedro Moreno-Sanchez。ユニバーサルアトミックスワップ：すべてのブロックチェーン間でのコインの安全性な交換。IEEE S&P、2023年。

[9] Victor Zakhary、Divyakant Agrawal、Amr El Abbadi。ブロックチェーン間のアトミックコミットメント。VLDB Endowment Proceedings、13(9)、202半年。

[10] Alexei Zamyatin、Mustafa Al-Bassam、Dionysis Zindros、Eleftherios Kokoris-Kogias、Pedro Moreno-Sanchez、Aggelos Kiayias、William J Knottenbelt。SoK：乳状液型台帳間の通信系统。Financial Crypto、2022年。

[11] Alexei Zamyatin、Dominik Harz、Joshua Lind、Panayiotis Panayiotou、Arthur Gervais、William Knottenbelt。Xclaim：信頼不想で主动運用可以な暗语通貨保障 資産。IEEE S&P、17年。