[논문 리뷰] Blockchain Goes Green? An Analysis of Blockchain on Low-Power Nodes

Dumitrel Loghin, Gang Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 16.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 10인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 저전력의 와임피 노드(예: NVIDIA Jetson TX2, Raspberry Pi 3)와 기존의 고성능 서버 간의 블록체인 성능 및 에너지 효율성을 평가한다. 높은 수준의 와임피 노드인 Jetson TX2는 Parity와 Hyperledger의 80% 및 30%의 처리량을 달성하면서도 Xeon 서버 대비 18배 및 23배 적은 에너지를 소비함으로써, 성능 대비 전력 소비가 균형 잡힌 하드웨어를 사용할 경우 에너지 효율적인 블록체인의 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Motivated by the massive energy usage of blockchain, on the one hand, and by significant performance improvements in low-power, wimpy systems, on the other hand, we perform an in-depth time-energy analysis of blockchain systems on low-power nodes in comparison to high-performance nodes. We use three low-power systems to represent a wide range of the performance-power spectrum, while covering both x86/64 and ARM architectures. We show that low-end wimpy nodes are struggling to run full-fledged blockchains mainly due to their small and low-bandwidth memory. On the other hand, wimpy systems with balanced performance-to-power ratio achieve reasonable performance while saving significant amounts of energy. For example, Jetson TX2 nodes achieve around 80% and 30% of the throughput of Parity and Hyperledger, respectively, while using 18x and 23x less energy compared to traditional brawny servers with Intel Xeon CPU.

연구 동기 및 목표

• 저전력의 와임피 노드가 기존의 고성능 서버와 비교해 전체 블록체인 워크로드를 효율적으로 실행할 수 있는지 평가하기 위해.
• x86/64 및 ARM 아키텍처를 포함한 다양한 하드웨어에서 블록체인 시스템의 시간-에너지 성능 트레이드오프를 평가하기 위해.
• 충분한 블록체인 처리량을 유지하면서도 에너지 효율성을 극대화하는 하드웨어 구성 요건을 규명하기 위해.
• 특히 메모리 및 대역폭 제약과 관련된 원인을 분석하여 저성능 와임피 노드에서의 성능 저하의 근본 원인을 조사하기 위해.
• 특히 PoW, PoA 및 PBFT와 같은 합의 프로토콜이 저전력 환경에서 에너지 소비와 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• Intel Xeon, NUC, NVIDIA Jetson TX2, Raspberry Pi 3의 네 가지 하드웨어 플랫폼에서 Ethereum(PoW), Parity(PoA), Hyperledger(PBFT)의 세 블록체인 시스템을 벤치마킹하였다.
• 클라이언트 부하를 다양하게 조절하여 종단 간 거래 처리량, 지연 시간 및 전력 소비를 측정하여 포화 지점을 파악하였다.
• 브라운리(브라운) 시스템(Xeon)과 와임피(ARM/x86) 시스템 모두에서 시간-에너지 프로파일링을 가능하게 하기 위해 BLOCKBENCH 프레임워크를 확장하였다.
• 동일한 환경과 이질적인 환경의 클러스터 실험을 수행하여 혼합 노드 환경에서의 확장성과 에너지 효율성을 평가하였다.
• 최신 Ethereum 버전에서의 거래 재시작 행동을 분석하여 성능 저하 요인을 고립시켰다.
• CPU, 메모리, 스토리지 및 전력 프로파일을 기반으로 하드웨어 시스템을 특성화하여 성능과 에너지 효율성 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저전력의 와임피 노드는 Ethereum, Parity, Hyperledger와 같은 완전한 블록체인 시스템을 효과적으로 실행할 수 있는가?
• RQ2 와임피 노드의 성능 대비 전력 비율이 기존의 브라운리 서버와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 메모리 크기와 대역폭은 저성능 와임피 노드에서 블록체인 성능을 제한하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 낮은 전력 프로파일이 항상 블록체인 배포에서 더 높은 에너지 효율성을 보장하는가?
• RQ5 Ethereum는 더 최신의 합의 설계를 채택하고 있음에도 불구하고 와임피 노드에서 높은 지연 시간과 낮은 처리량을 보이는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• Jetson TX2 노드는 Xeon 클러스터 대비 18배 및 23배 적은 에너지를 소비하면서도 Parity 처리량의 약 80%, Hyperledger 처리량의 30%를 달성한다.
• Raspberry Pi 3는 Ethereum을 네이티브로 실행할 수 없으며, 메모리 및 대역폭 부족으로 인해 Hyperledger를 실행하기 위해 상당한 코드 수정이 필요하다.
• 낮은 대기 전력(2W 대비 2.4W)을 가졌음에도 불구하고 Raspberry Pi 3는 뚜렷한 낮은 성능으로 인해 거래당 에너지 소비가 더 높아 Jetson TX2보다 에너지 효율성이 열 劣하다.
• 와임피 노드에서의 Ethereum은 블록이 비어 있더라도 신규 블록 도착으로 인한 거래 재시작으로 인해 고지연(8노드 기준 195.6초)과 낮은 처리량을 경험한다.
• Xeon과 TX2 노드가 혼합된 이종 클러스터에서는 Hyperledger의 전력 소비를 53% 감소시켰지만 처리량은 35% 감소하여, 중간 수준의 성능 희생을 감수할 경우 실현 가능한 에너지 절감 효과를 보였다.
• TX2 클러스터에 저성능 Raspberry Pi 3 노드를 추가하면 전력 소비 절감 효과는 12%에 그치지만 Hyperledger의 처리량은 62% 감소하여 성능 격차가 너무 클 경우 에너지 효율성이 떨어짐을 시사한다.