Моделювання процесу формування блоків у блокчейні та його вплив на масштабованість

Abstract

У статті досліджено процес формування блоків у блокчейн-мережах та вплив мере- жевої архітектури вузлів та алгоритмів консенсусу на їх масштабованість і продуктивність. Аналіз масштабованості блокчейн-систем є важливим через проблеми, що виникають при зростанні навантаження на мережу, зокрема, збільшення кількості відгалужень блоків та часу підтвердження транзакцій. Дослідження зосереджене на вивченні впливу мережевих затримок та вибору алгоритму консенсусу на продуктивність і масштабованість блокчейн- мереж. Основну увагу зосереджено математичним моделям, які описують формування блоків, а також аналізу факторів, що впливають на швидкість обробки транзакцій та пропускну здатність. Розглянуто основні алгоритми консенсусу, такі як Proof of Work (PoW) та Proof of Stake (PoS), і порівняно їхній вплив на масштабованість у реалізаціях на основі Ethereum Virtual Machine (EVM) та Bitcoin. Експериментальні дослідження з використанням Geth та хмарних сервісів Амазон виявили, що застосування алгоритму консенсусу Proof of Stake (PoS) підвищує продуктивність мережі шляхом зниження складності процесу формування блоків у блокчейн-мережах на 99% та прискорює досягнення консенсусу на 70% порівняно з Proof of Work (PoW). Також встановлено, що збільшення кількості вузлів від 5 до 50 знижує пропускну здатність мережі майже на 10%, а середній час підтвердження збільшується вдвічі. Отримані результати спрямовані на розв’язання задачі масштабованості шляхом зменшення часу підтвердження транзакцій для впровадження децентралізованих технологій у сфері Інтернету речей (IoT), де критично важливі швидкість обробки та збереження великих обсягів даних.The article investigates the process of block formation in blockchain networks and the impact of node network architecture and consensus algorithms on their scalability and performance. Analysis of blockchain system scalability is important due to problems that arise when network load increases, particularly the increase in the number of block forks and transaction confirmation times. The research focuses on studying the impact of network delays and the choice of consensus algorithm on the performance and scalability of blockchain networks. The main attention is devoted to mathematical models that describe block formation, as well as the analysis of factors affecting transaction processing speed and throughput. The primary consensus algorithms, such as Proof of Work (PoW) and Proof of Stake (PoS), are considered, and their impact on scalability in implementations based on the Ethereum Virtual Machine (EVM) and Bitcoin is compared. Experimental studies using Geth and Amazon cloud services revealed that the application of the Proof of Stake (PoS) consensus algorithm increases network performance by reducing the complexity of the block formation process in blockchain networks by 99% and accelerates consensus achievement by 70% compared to Proof of Work (PoW). It was also established that increasing the number of nodes from 5 to 50 reduces the network's throughput by almost 10%, and the average confirmation time doubles. The obtained results are aimed at solving the scalability issue by reducing transaction confirmation times for the implementation of decentralized technologies in the Internet of Things (IoT) sphere, where processing speed and storage of large volumes of data are critically important.