[論文レビュー] Blockchain Goes Green? An Analysis of Blockchain on Low-Power Nodes

Dumitrel Loghin, Gang Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 10被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、低消費電力のwimpyノード（例：NVIDIA Jetson TX2、Raspberry Pi 3）と従来の高性能サーバーを比較してブロックチェーンのパフォーマンスおよびエネルギー効率を評価する。上位のwimpyノード、例えばJetson TX2は、ParityとHyperledgerのスループットの80%および30%を達成する一方で、Xeonサーバーと比較して18倍および23倍のエネルギー消費を抑えることができ、エネルギー効率の高いブロックチェーンは、パフォーマンス対消費電力のバランスが取れたハードウェアによって実現可能であることを示している。

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.

研究の動機と目的

• 低消費電力で性能に劣るwimpyノードが、従来の高性能サーバーと比較して、フルブロックチェーンワークロードを効率的に実行できるかどうかを評価すること。
• x86/64およびARMアーキテクチャを含む多様なハードウェアにおけるブロックチェーンシステムの時間-エネルギーパフォーマンスのトレードオフを評価すること。
• 許容可能なブロックチェーンスループットを損なわずにエネルギー効率を最大化するハードウェア構成を特定すること。
• 特にメモリおよび帯域幅制限に関連する要因が、低性能wimpyノードにおけるパフォーマンスの制限要因となる理由を調査すること。
• 特にPoW、PoA、PBFTを含む共通合意プロトコルが、低消費電力環境におけるエネルギー消費とパフォーマンスに与える影響を分析すること。

提案手法

• Intel Xeon、NUC、NVIDIA Jetson TX2、Raspberry Pi 3の4つのハードウェアプラットフォーム上で、Ethereum（PoW）、Parity（PoA）、Hyperledger（PBFT）の3つのブロックチェーンシステムをベンチマーク化した。
• クライアント負荷を変化させ、スループット、遅延、消費電力を測定し、飽和ポイントを特定した。
• ブロックチェーンの時間-エネルギープロファイリングを、brawny（Xeon）およびwimpy（ARM/x86）システムの両方で行うために、BLOCKBENCHフレームワークを拡張した。
• 同種および異種のクラスタ実験を実施し、混合ノード環境におけるスケーラビリティおよびエネルギー効率を評価した。
• 新しいEthereumバージョンにおけるトランザクション再起動動作を分析し、パフォーマンスのボトル neck を特定した。
• CPU、メモリ、ストレージ、消費電力プロファイルに基づいてハードウェアシステムを特徴づけ、パフォーマンスとエネルギー効率の相関関係を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低消費電力のwimpyノードは、Ethereum や Parity、Hyperledger といったフルスタックのブロックチェーンシステムを効果的に実行できるか？
• RQ2 wimpyノードのパフォーマンス対消費電力比は、ブロックチェーンワークロードにおいて従来のbrawnyサーバーと比較してどうなるか？
• RQ3 メモリ容量と帯域幅は、低性能wimpyノードにおけるブロックチェーンパフォーマンスの制限要因として果たす役割は何か？
• RQ4 低い消費電力プロファイルは、ブロックチェーンの展開において常に高いエネルギー効率をもたらすのか？
• RQ5 Ethereum は、より新しい共通合意設計を採用しているにもかかわらず、なぜwimpyノードではパフォーマンスが著しく低く不安定になるのか？

主な発見

• Jetson TX2ノードは、同等のXeonクラスタと比較して、Parityのスループットの約80%、Hyperledgerのスループットの30%を達成しながら、消費電力を18倍および23倍削減している。
• Raspberry Pi 3は、メモリおよび帯域幅が不足しているため、Ethereumをネイティブで実行できず、Hyperledgerを実行するには顕著なコード修正が必要である。
• アイドル消費電力が低い（2W vs. 2.4W）にもかかわらず、Raspberry Pi 3はパフォーマンスが著しく低いことから、トランザクションあたりのエネルギー消費がJetson TX2よりも高く、エネルギー効率が劣る。
• Ethereum は、wimpyノード上で、新しいブロックの到着によって引き起こされるトランザクション再起動の影響により、高遅延（8ノードで195.6秒）と低スループットを示しており、ブロックが空であっても同様である。
• XeonとTX2ノードを混合した異種クラスタでは、Hyperledgerの電力消費を53%削減できる一方、スループットは35%低下する。これは、中程度のパフォーマンスの妥協で実現可能なエネルギー節約の可能性を示している。
• TX2クラスタに低性能のRaspberry Pi 3ノードを追加すると、電力消費の削減はわずか12%にとどまり、Hyperledgerではスループットが62%も低下する。これは、性能差が大きすぎる場合、エネルギー効率が著しく悪化することを示している。