An on-chain governance model based on particle swarm optimization for reducing blockchain forks

Nourmohammadi, Reza (2022). An on-chain governance model based on particle swarm optimization for reducing blockchain forks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Blockchain technology has emerged as one of the most promising technologies of the past few years. However, it has encountered a number of challenges, including forks and low processing rates when compared to other payment systems. It is a natural process for most public blockchain systems to fork over time since forks are a natural part of the process. In order to resolve these issues, the side fork transactions will be discarded during chain reorganization (reorg) after these issues have been resolved. As a result of the requirement for clients to wait for more confirmations before being able to complete transactions, there is a slight delay in the process. The probability of a blockchain network forking to the greatest extent possible should be reduced as much as possible. This will improve the security, speed, and efficiency of the blockchain network. To the greatest extent possible. Understanding the behavior of blockchain systems is crucial to optimizing parameters. In this reserach, we propose a novel fork model that incorporates previously unconsidered parameters, such as the network delay and degree of validation. We have conducted a series of experiments using a blockchain simulator on the Ethereum network and the EIP-1559 specification to verify the validity of our proposed method. It is less likely that a fork will occur if the validation degree is decreased and the marginal cost of the miners is increased (as in EIP-1559). This part indicates that the probability of a fork occurring is reduced by approximately 10%. Further, the experimental results demonstrate that our method is highly accurate in predicting forking probabilities.

By developing sharding, we were able to address the problem of low processing rates, but it also enhances the scalability of the network by making it more efficient. There are still some questions that need to be answered, however, regarding the impact of this on the likelihood of a fork. The second objective of this thesis is to determine whether adding new shards to a blockchain impacts the likelihood of forks in that blockchain as a whole. As a first step towards achieving this goal, a new simulator that facilitates simulation of sharded networks has been developed as a first step towards achieving it. We then examined the impact of sharding on the occurrence of forks as a result of sharding. There have been a number of experiments conducted on two EIP-1559 enabled networks, each with 60 and 120 nodes, in which a number of experiments were carried out. As a result of adding one shard, it has been found that 60% of the orphan blocks are reduced on average when one shard is added. Furthermore, we present a model that reduces forks by 23% and 15%, respectively, when there are 60 or 120 nodes in the network.

The processing speed of blockchain networks is one of the most significant disadvantages associated with these networks. In order to achieve this, it may be necessary to implement sharding, which is capable of solving this problem. This will lead to an improvement in the scalability of the network as a result. It was difficult to determine how the sharding process might impact the likelihood of forks arising as a consequence of the sharding process in the current study.

In the third part of this thesis, we performed a number of experiments using 120 nodes on the network EIP-1559 to achieve this objective. Our analysis indicates that adding a shard to the system results in a 60% reduction in the number of orphan blocks. There has also been the development of a novel on-chain governance model that uses particle swarm optimization in order to reduce the likelihood of forks between different shards. Based on the results of our study, we are confident that the proposed on-chain governance model reduces the risks associated with forking and maintains a positive user experience.

As a contribution to public blockchains, the thesis provides an adaptive blockchain with learning capabilities. Consequently, there will be a reduction in the likelihood of forks occurring, leading to a more scalable blockchain architecture. Based on the local data inputs that networks receive, this solution enables networks to learn the optimal configuration. Based on the experimental results, the proposed solution has demonstrated better performance and scalability than the current state of the art.

Titre traduit

Une Blockchain auto-configurable adaptative basée sur des techniques d’apprentissage automatique

Résumé traduit

La Blockchain est une technologie émergente qui a rencontré un certain nombre de défis, y compris des fourches et de faibles taux de traitement des transactions par rapport à d’autres systèmes de paiement. La plupart des systèmes publics de blockchain sont enclins aux fourches comme un processus naturel. À la suite de la résolution de ces problèmes, les transactions latérales sont rejetées lors de la réorganisation de la chaîne (réaménagement). Le retard est causé par l’obligation pour les clients d’attendre plus de confirmations avant de terminer les transactions. Pour améliorer la sécurité, la vitesse et l’efficacité d’un réseau de blockchain, il est souhaitable de réduire la probabilité de forking autant que possible. Il est nécessaire de comprendre le comportement des systèmes de blockchain pour optimiser les paramètres en conséquence. Nous proposons ici un nouveau modèle de fourche qui intègre des paramètres qui n’ont pas été pris en compte précédemment, tels que le retard dans le réseau et le degré de validation. Pour vérifier la validité de notre méthode proposée, nous avons mené une série d’expériences utilisant le simulateur BlockSim sur le réseau Ethereum et la spécification EIP-1559. Une fourche est moins susceptible de se produire si le degré de validation est diminué et le coût marginal des mineurs est augmenté (comme dans EIP-1559). D’après les résultats de cette partie, la probabilité qu’une fourche se produise est réduite d’environ 10%. De plus, les résultats expérimentaux démontrent que notre méthode est très précise dans la prédiction de la probabilité de la fourchette.

Sharding a été développé pour résoudre le problème des faibles taux de traitement, mais il améliore également l’évolutivité du réseau. Toutefois, on ne sait toujours pas comment cela peut affecter la probabilité d’une fourchette. Deuxièmement, la thèse tente de déterminer comment l’ajout de nouveaux shards à une blockchain affecte la probabilité de fourches. Comme première étape vers la réalisation de cet objectif, nous avons développé un nouveau simulateur qui facilite la simulation de réseaux cloisonnés. Par la suite, nous avons examiné les effets du requin sur la présence de fourches. Les expériences multiples ont été conduites sur les réseaux permis de deux EIP-1559 avec 60 et 120 nœuds, respectivement. Selon notre étude, l’ajout d’un shard entraîne une réduction des blocs orphelins de 60% en moyenne. De plus, nous proposons un modèle de probabilité de fourche qui réduit les fourches de 23% et 15%, respectivement, pour les réseaux à 60 et 120 noeuds.

Comme l’un des inconvénients les plus significatifs associés aux réseaux de blockchain, la vitesse de traitement est un inconvénient important. Cela peut se faire par le biais de l’affûtage, qui a la capacité de résoudre ce problème. Il en résulte que l’évolutivité du réseau peut être améliorée. Il était difficile de déterminer comment le requin aurait une incidence sur la probabilité que des fourchettes surviennent à la suite du requin dans cette étude. Pour atteindre cet objectif, nous avons mené un certain nombre d’expériences sur le réseau EIP-1559 en utilisant 120 noeuds dans la troisième partie de cette thèse. Selon notre analyse, l’ajout d’un shard au système entraîne une diminution de 60% du nombre de blocs orphelins. Un nouveau modèle de gouvernance en chaîne a également été mis au point, qui utilise l’optimisation des essaims de particules pour réduire la probabilité de fourches entre les différents gisements. À la suite de notre étude, nous sommes convaincus que le modèle de gouvernance en chaîne proposé réduit les risques associés à la fourchette et maintient des expériences positives pour les utilisateurs.

La thèse contribue en fournissant une blockchain adaptative avec des capacités d’apprentissage pour les blockchains publics. Cela réduira la probabilité que des fourches se produisent et, par conséquent, se traduira par une architecture de blockchain évolutive. Cette solution permet aux réseaux d’apprendre la configuration optimale en fonction des entrées de données locales qu’ils reçoivent. Selon les résultats expérimentaux, la solution proposée a obtenu de meilleures performances et une meilleure évolutivité que la solution de pointe.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 112-135).
Mots-clés libres:	les chaînes de blocs, ethereum, sharding, degré de validation, gouvernance en chaîne, fork, optimisation des essaims de particules, EIP-1559
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Zhang, Kaiwen
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 févr. 2023 19:32
Dernière modification:	03 févr. 2023 19:32
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3145

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