ビットコインネットワーク容量分析: データ伝播

ビットコインデータの配信

ネットワーク内でのビットコイン データのタイムリーな伝播は、このエコシステムの重要な基本機能です。多数のネットワークノードに接続し、リアルタイムデータベースに収集・保存することで伝播速度を測定できます。 TradeBlock には、広範囲にブロードキャストされていないメッセージも含め、ネットワークにブロードキャストされたすべてのメッセージを表示および記録できる大規模な地域間 Bitcoin ネットワーク データ アーキテクチャがあり、ネットワークの正確な分析を提供します。

平均伝播速度

上の図は、2015 年の平均ブロック伝播速度を示しています。平均ブロック伝播速度は、ブロック データをブロードキャストするビットコイン ネットワーク上の各ノードを追跡し、最初のブロードキャストとその後のすべてのブロードキャスト間の時間間隔を計算することによって測定されました。このグラフは、ブロック サイズがデータ伝播速度にどのように影響し、マイナーのインセンティブと行動にどのように影響するかを示しています。

伝播速度と孤児レース

2 人以上のマイナーがブロックの計算に同様の時間がかかる場合、ビットコイン ネットワークは次のブロックを計算するための 2 つ (またはそれ以上) の潜在的な選択肢を同時に提供します。マイナーは、最も作業量の多いチェーン（通常はブロック数が最も多い最長のチェーン）にハッシュパワーを集中させるため、この場合、伝播速度が重要になります。一般的に、ノード数が多いブロックの方が孤立ブロックの競争に勝つ可能性が高く、次のブロックを接続できるようになります。

さらに、拒否されたブロックは「孤立ブロック」と呼ばれ、後続のブロックでは受け入れられません。このブロックを処理するマイナーは、コインベース報酬を獲得できません。下のグラフは、4 月中旬以降に毎日採掘された孤立ブロックの数を示しています。1 日あたり平均 1.3 個の孤立ブロックが生成され、孤立ブロック率は約 1% です。

毎日の孤立ブロック

次のグラフは、過去 3 か月間の孤立ブロック レースの観察結果です。孤立ブロックが発生する理由はさまざまですが、ブロックが失敗する最も一般的な理由は、接続されたノードの数が少ない (成功した孤立ブロック レースに比べて) ことであることは明らかです。ビットコイン ネットワークには常に約 6,000 個のアクティブ ノードがありますが、データによると、接続されたノードが 3,000 個ある限り、特定のブロックが孤立ブロック レースに勝つ確率は 90% になります。最後に、孤児レースの勝利ブロックは、ネットワークに最初にブロードキャストされるようです。これは、勝利ブロックがほとんど x 軸の正の方向に現れるという事実からも明らかです。

孤児ブロックレース

次に、ある期間における孤立した競合に関与するブロックの平均サイズを調べます。下の図は、孤立レースに参加しているブロックが、孤立レースに参加していないブロックよりも平均で 20% 大きい (約 100kb) ことを示しています。これは、大きなブロックのブロードキャストに時間がかかることが原因である可能性があります。

ブロック内の限界トランザクションの場合、各ノードは独自のメモリ プールに保存されているブロック トランザクション リストと照合して、ブロックを最終的に確認する必要があります。その結果、ブロック内のトランザクションの数が増えるほど、データの伝播時間が長くなり、各トランザクションがネットワーク内を移動するのにかかる時間が長くなります。これは、見つかったブロックがブロードキャストされる前に、他のマイナーが前のブロックのハッシュに多くの時間を費やすことを意味します。

孤立ブロックと非孤立ブロック

伝播速度対ブロックサイズとマイナー

データ転送の重要性を示すために、伝播速度とブロック サイズとマイナー間の相関関係を分析しました。データは 2015 年 4 月から 6 月にかけて収集されました。下の図に示すように、ブロックが重要な 3,000 ノードに接続する場合、ブロック サイズと伝播時間の間には直接的な関係があります。たとえば、700kb のブロックの伝播には 17 秒かかりますが、200kb のブロックの場合は 6 秒しかかかりません。

3000ノードにブロードキャストするのに必要な時間

また、マイナーとブロックが 3000 個のノードにブロードキャストされる平均時間との関係も調査します。図からわかるように、ほとんどのマイナーが費やした平均時間は、平均値の標準偏差である 9.7 秒から 7.2 秒の範囲内にあります。最高（21秒）は中国のマイニングプールBW Poolで、最低（4秒）はポーランドのマイニング会社Polmineです。

各ブロックをパッケージ化したマイナーの地理的位置をマークすることで、下の図に示すように、伝播時間と地域の関係をより広い視点から分析することができ、地域の違いによって伝播速度にわずかな変化が生じることがわかります。全体的に、ヨーロッパのマイナーは平均よりもわずかに高速ですが、中国と米国の速度はほぼ同じです（最高値の BW プールを削除した場合）。

中国で採掘されたブロックの時間測定は、中国の GFW を考慮しない場合にのみ実行可能です。 GFW を考慮すると、実際の伝播時間は不明になります。これは、TradeBlock が接続されているノード (3 桁未満) が中国の IP アドレスからブロードキャストされたデータを監視している場合、GFW によってタイムリーにブロックされている可能性が高いことを意味します。

データ伝播時間とマイナー

データ配信時間と地域

ブロックチェーン拡大の議論への影響

上記の分析は、ブロック サイズに関する最近の進行中の議論に重要な意味を持ちます。我々は、（１）ブロックサイズとそれがネットワークを伝播するのにかかる時間との間に直接的な関係があることを実証した。 （２）孤児ブロック競争におけるブロックは、非孤児ブロック競争におけるブロックよりも大幅に大きい。

ブロック サイズが 1MB のときのデータ伝播速度に基づいて、より大きなブロックに必要な伝播時間を推測できます。下の図に示すように、最適な線形回帰では、8MB のブロックがネットワークを介して 3,000 個のノードに伝播するのに約 137 秒かかることがわかります。

予測時間

以前の調査では、データの伝播にかかる時間が1分長くなるごとに孤立ブロックの競合の可能性が高まるため、短期間でブロックを8MBに拡張することは期待できないと示唆しましたが、その結果、マイナーがトランザクションを少なく詰め込むという逆のインセンティブが生じます。この問題に対処するために、マイニング バックボーン、トランザクション キャッシュの更新、可逆ブルーム ルックアップ テーブルなど、いくつかの提案が提案されていますが、これらの提案が実装されるまで、大きなブロックの伝播によってマイニング収益に定量化可能なリスクが生じる可能性があります。