[논문 리뷰] BlockEmulator: An Emulator Enabling to Test Blockchain Sharding Protocols

Huawei Huang, Guang Ye외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 06.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 6

한 줄 요약

BlockEmulator는 블록체인 샤딩 프로토콜을 효율적으로 개발하고 평가할 수 있도록 설계된 경량이며 오픈소스의 테스트베드입니다. 일관성 알고리즘, 크로스샤드 트랜잭션 처리, 워크로드 밸런싱 메커니즘을 구현하기 위한 모듈식이고 확장 가능한 프로그래밍 인터페이스를 제공하며, 실험을 통해 처리량, 지연 시간, 트랜잭션 풀 크기와 같은 핵심 메트릭을 측정하는 데 있어 정확성과 유용성이 입증되었습니다.

ABSTRACT

Numerous blockchain simulators have been proposed to allow researchers to simulate mainstream blockchains. However, we have not yet found a testbed that enables researchers to develop and evaluate their new consensus algorithms or new protocols for blockchain sharding systems. To fill this gap, we developed BlockEmulator, which is designed as an experimental platform, particularly for emulating blockchain sharding mechanisms. BlockEmulator adopts a lightweight blockchain architecture so developers can only focus on implementing their new protocols or mechanisms. Using layered modules and useful programming interfaces offered by BlockEmulator, researchers can implement a new protocol with minimum effort. Through experiments, we test various functionalities of BlockEmulator in two steps. Firstly, we prove the correctness of the emulation results yielded by BlockEmulator by comparing the theoretical analysis with the observed experiment results. Secondly, other experimental results demonstrate that BlockEmulator can facilitate measuring a series of metrics, including throughput, transaction confirmation latency, cross-shard transaction ratio, the queuing status of transaction pools, workload distribution across blockchain shards, etc. We have made BlockEmulator open-source in Github.

연구 동기 및 목표

• 신규 블록체인 샤딩 프로토콜과 일관성 알고리즘을 평가하기 위한 전용 테스트베드의 부족을 보완한다.
• 핵심 블록체인 기능을 격리하여 신규 샤딩 메커니즘의 집중적 구현을 가능하게 하는 경량이며 확장 가능한 플랫폼을 제공한다.
• 저수준 복잡성을 추상화하고 재사용 가능한 컴포onent을 제공함으로써 샤딩 프로토콜의 빠른 프로토타이핑 및 벤치마킹을 지원한다.
• 처리량, 트랜잭션 확정 지연 시간, 크로스샤드 트랜잭션 비율, 트랜잭션 풀 큐잉 크기와 같은 핵심 메트릭의 정확한 성능 측정을 가능하게 한다.
• 샤드 블록체인 환경에서 워크로드 밸런싱 및 트랜잭션 마이그레이션 전략의 평가를 촉진한다.

제안 방법

• 노드 매니저, 일관성 모듈, 온체인 트랜잭션 스토리지와 같은 핵심 블록체인 컴포넌트를 중심으로 한 계층적 아키텍처를 설계한다.
• 연구자가 기존 인프라를 수정하지 않고도 새로운 일관성 프로토콜(PBFT, PoW 등)과 샤딩 메커니즘을 삽입할 수 있도록 모듈식 프로그래밍 인터페이스를 구현한다.
• 두 가지 대표적인 메커니즘인 BrokerChain과 Relay를 통해 크로스샤드 트랜잭션 처리를 지원하며, 구성 가능한 계정 이관 정책을 제공한다.
• CLPA(Cross-shard Load Prediction Algorithm)를 통한 동적 워크로드 밸런싱을 통합하여 샤드 부하 예측 기반으로 계정 분포를 재구성한다.
• 사용자 정의 가능한 실험 설정과 로그 기반 결과 수집을 통해 성능 평가를 지원하며, TPS, 지연 시간, TXpool 크기와 같은 메트릭을 측정한다.
• 이론적 성능 모델과의 비교를 통해 에뮬레이션의 정확성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BlockEmulator는 이론적 예측과 일치하는 결과를 도출함으로써 블록체인 샤딩 프로토콜의 행동을 정확하게 에뮬레이트할 수 있는가?
• RQ2 BlockEmulator는 샤드 블록체인 시스템에서 처리량, 트랜잭션 확정 지연 시간, 크로스샤드 트랜잭션 비율 평가를 어떻게 지원하는가?
• RQ3 CLPA와 같은 워크로드 밸런싱 메커니즘이 다양한 샤딩 아키텍처(BrokerChain 대비 Relay)에 통합되었을 때 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 다양한 샤딩 메커니즘(BrokerChain+CLPA, BrokerChain+Static, Relay+CLPA, Relay+Static) 간의 트랜잭션 풀 크기 및 워크로드 분포는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 CLPA는 어떤 조건에서 성능 향상을 이끌어내며, 어떤 경우에는 재구성 오버헤드로 인해 성능이 저하되는가?

주요 결과

• BlockEmulator의 에뮬레이션 결과는 이론적 성능 예측과 매우 유사하게 나타나, 실험적 사용에 있어 정확성과 신뢰성을 입증하였다.
• BrokerChain+CLPA와 BrokerChain+Static는 저에서 중간 수준의 트랜잭션 주입률에서 낮은 트랜잭션 풀 크기와 높은 처리량을 유지하는 데 뛰어난 성능을 보였다.
• Relay에 CLPA를 통합했을 경우, 저주입률에서 샤드 간 불균형이 충분하지 않아 성능 향상이 미미했으며, 재구성 오버헤드로 인해 효과가 제한되었다.
• BrokerChain+CLPA는 누적분포함수(CDF)가 급격히 상승함으로써 샤드 간 워크로드 분포가 가장 균형 잡혀 있음을 보여주었으며, 이는 높은 워크로드 비율 집중도를 의미한다.
• BrokerChain+CLPA와 BrokerChain+Static의 트랜잭션 풀 크기는 천천히 증가하지만 급격히 감소함으로써 효율적인 트랜잭션 처리와 낮은 큐잉 지연을 나타내었다.
• 트랜잭션 주입률이 낮고 TXpool이 가득 찬 조건에서 CLPA는 과부하가 걸린 샤드를 오프로드함으로써 성능을 크게 향상시켰으며, 이는 특정 워크로드 조건에서의 효과성을 확인시켰다.