[논문 리뷰] CloudChain: A Cloud Blockchain Using Shared Memory Consensus and RDMA

Minghui Xu, Shuo Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 08.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 19인용 수 5

한 줄 요약

CloudChain는 허용성 있는 클라우드 환경에서 저지연 시간 공조를 달성하기 위해 RDMA를 통한 공유 메모리 통신을 활용하는 고성능, 클라우드 네이티브 블록체인을 제안한다. 기존의 메시지 전달 방식을 대체하여 RDMA를 통해 직접 메모리 액세스를 구현함으로써 CloudChain는 블록 확인 시간을 1초 이내로 단축하고, 8MB 블록 크기에서 최대 6,347 TPS의 성능을 달성하면서도 비잔틴 장애에 대해 지속성과 활성화를 유지한다.

ABSTRACT

Blockchain technologies can enable secure computing environments among mistrusting parties. Permissioned blockchains are particularly enlightened by companies, enterprises, and government agencies due to their efficiency, customizability, and governance-friendly features. Obviously, seamlessly fusing blockchain and cloud computing can significantly benefit permissioned blockchains; nevertheless, most blockchains implemented on clouds are originally designed for loosely-coupled networks where nodes communicate asynchronously, failing to take advantages of the closely-coupled nature of cloud servers. In this paper, we propose an innovative cloud-oriented blockchain -- CloudChain, which is a modularized three-layer system composed of the network layer, consensus layer, and blockchain layer. CloudChain is based on a shared-memory model where nodes communicate synchronously by direct memory accesses. We realize the shared-memory model with the Remote Direct Memory Access technology, based on which we propose a shared-memory consensus algorithm to ensure presistence and liveness, the two crucial blockchain security properties countering Byzantine nodes. We also implement a CloudChain prototype based on a RoCEv2-based testbed to experimentally validate our design, and the results verify the feasibility and efficiency of CloudChain.

연구 동기 및 목표

• 클라우드 네이티브 기능인 RDMA와 공유 메모리를 활용하여, 밀접하게 연결된 클라우드 환경에서 기존 블록체인의 비효율성을 해결하기 위해.
• 클라우드 기반의 동기 네트워크 환경에서 비잔틴 노드가 존재하더라도 지속성과 활성화를 보장하는 공조 프로토콜을 설계하기 위해.
• OS 커널 버티컬 블로킹을 제거하기 위해 RDMA를 사용하여 커널을 건너뛰고 직접 메모리 액세스를 가능하게 하여 블록체인 통신의 성능을 향상시키기 위해.
• 기존의 메시지 전달 방식 블록체인보다 지연 시간과 처리량 측면에서 뛰어난 성능을 보이는 클라우드 최적화 블록체인 시스템을 프로토타입화하고 평가하기 위해.
• 블록체인을 클라우드 인프라와 깊이 통합함으로써 탈중앙화성과 보안성을 희생시키지 않은 채 고성능을 달성할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• CloudChain는 네트워크 레이어, 공조 레이어, 블록체인 레이어로 구성된 3단계 모듈식 아키텍처를 채택하여 다양한 기기 성능을 가진 이질적인 클라이언트를 지원한다.
• OS 커널을 건너뛰고 직접 메모리 액세스를 가능하게 하기 위해 RDMA를 활용한 공유 메모리 통신 모델을 구현하여 노드 간에 동기적이고 저지연 통신을 구현한다.
• 공유 메모리 공조 알고리즘(SMCA)은 공유 메모리 기반의 리더 기반 투표 메커니즘을 사용하여 비잔틴 조건 하에서도 지속성과 활성화를 보장하도록 설계되었다.
• SMCA는 빠르고 신뢰할 수 있는 통신과 조율을 위해 RDMA를 활용하여 노드 간의 신속한 블록 순서 정렬 및 검증을 가능하게 한다.
• RoCEv2 기반 테스트베드에 여러 서버를 구축하고, RDMA 기반 네트워크 인터페이스 카드를 사용하여 최대 400 Gb/s의 대역폭과 낮은 지연 시간을 달성한다.
• 성능 평가에서는 네트워크 크기(5~15개 노드)와 블록 크기(2~8MB)가 다양한 실세계 워크로드를 기반으로 하여 지연 시간, 처리량, 장애 내성 능력을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저지연, 동기 통신을 지원하는 밀접하게 연결된 클라우드 기반 환경에서 블록체인 공조를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 RDMA 기반 공유 메모리가 기존의 메시지 전달 방식을 대체하여 블록체인 공조의 지연 시간을 줄이고 처리량을 증가시킬 수 있는가?
• RQ3 클라우드 환경에서 비잔틴 조건 하에서도 공유 메모리 공조 알고리즘(SMCA)이 지속성과 활성화를 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ4 네트워크 크기와 블록 크기가 CloudChain와 같은 클라우드 최적화 블록체인의 지연 시간과 처리량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 클라우드 네이티브 블록체인이 탈중앙화성이나 비잔틴 공격에 대한 보안성을 희생시키지 않고도 고성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 15개 노드와 2MB 블록을 사용할 경우 CloudChain는 약 992.277ms의 블록 확인 지연 시간을 기록하여 더 큰 네트워크에서도 확장성을 입증한다.
• 네트워크 크기가 5개에서 15개로 증가함에 따라 투표 스캔 및 채널 경쟁 증가로 인해 처리량이 5,379 TPS에서 3,628 TPS로 감소한다.
• 8MB 블록 크기에서 CloudChain는 지연 시간 4,512.822ms, 처리량 6,347 TPS를 기록하여 더 큰 블록이 전송 지연 시간을 증가시키지 않으면서도 처리량을 향상시킨다는 점을 입증한다.
• 2MB 블록 기준으로 CloudChain는 처리량 4,404 TPS와 검증 지연 시간 1,649.237ms를 기록하여 기존 블록체인에 비해 뚜렷한 성능 우월성을 보였다.
• 리더가 정상일 경우 비잔틴 비율(6.25%에서 37.50%)이 변하더라도 공조 지연 시간이 거의 일정하게 유지(약 60~360ms)되어 비잔틴 노드에 대한 강건성을 입증한다.
• 프로토타입은 RDMA 기반 공유 메모리가 1초 이내 블록 확인 시간과 효율적인 노드 간 통신을 가능하게 하여 설계의 실현 가능성을 입증한다.