[论文解读] A Pub-Sub Architecture to Promote Blockchain Interoperability

Sara Ghaemi, Sara Rouhani+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 23被引用 14

一句话总结

本文提出了一种基于代理区块链的发布/订阅架构，以实现异构许可区块链之间的互操作性，使发布者和订阅者能够在对现有系统改动最小的情况下交换数据。原型基于 Hyperledger Fabric 构建，并在 Hyperledger Besu 和 Fabric 上进行测试，实现了每秒数百笔交易的性能，其中 PublishToTopic 被识别为主要性能瓶颈。

ABSTRACT

The maturing of blockchain technology leads to heterogeneity, where multiple solutions specialize in a particular use case. While the development of different blockchain networks shows great potential for blockchains, the isolated networks have led to data and asset silos, limiting the applications of this technology. Blockchain interoperability solutions are essential to enable distributed ledgers to reach their full potential. Such solutions allow blockchains to support asset and data transfer, resulting in the development of innovative applications. This paper proposes a novel blockchain interoperability solution for permissioned blockchains based on the publish/subscribe architecture. We implemented a prototype of this platform to show the feasibility of our design. We evaluate our solution by implementing examples of the different publisher and subscriber networks, such as Hyperledger Besu, which is an Ethereum client, and two different versions of Hyperledger Fabric. We present a performance analysis of the whole network that indicates its limits and bottlenecks. Finally, we discuss the extensibility and scalability of the platform in different scenarios. Our evaluation shows that our system can handle a throughput in the order of the hundreds of transactions per second.

研究动机与目标

• 解决由于孤立的、异构的许可区块链网络导致的区块链互操作性挑战。
• 在无需对现有系统进行重大更改的情况下，实现区块链之间的无缝数据和资产传输。
• 设计一种去中心化、可扩展且可扩展的互操作性解决方案，利用代理区块链作为可信中介。
• 在真实场景中评估所提出架构的性能和可扩展性。
• 识别性能瓶颈，并为访问控制和数据隐私提出未来改进方案。

提出的方法

• 引入代理区块链作为去中心化的中介，用于维护代表区块链之间共享数据的主题。
• 发布者（源区块链）创建主题并将其更新发布到代理，而订阅者（目标区块链）注册对特定主题的兴趣。
• 系统使用代理区块链上的智能合约来管理主题生命周期、订阅关系和消息传递。
• 原型使用 Hyperledger Fabric 2.2 作为代理，Hyperledger Besu 和两个版本的 Hyperledger Fabric 分别作为发布者和订阅者网络。
• 通过基准测试工具进行性能评估，以在不同负载条件下测量吞吐量、延迟和交易成功率。
• 通过私有通道和潜在集成去中心化访问控制机制，支持架构的可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过去中心化、可扩展且轻量级的发布/订阅架构实现异构许可区块链之间的互操作性？
• RQ2 代理区块链在处理跨链数据发布与订阅时的性能上限是什么？
• RQ3 在负载增加的情况下，代理网络中的哪个组件成为主要性能瓶颈？
• RQ4 该系统在多大程度上能够支持大量参与的区块链和订阅者？
• RQ5 如何在不损害去中心化特性的前提下，将访问控制和数据隐私集成到发布/订阅模型中？

主要发现

• 代理区块链原型实现了每秒数百笔交易的吞吐量，证明了所提出架构的可行性。
• PublishToTopic 被识别为主要性能瓶颈，在发送速率超过 70 TPS 时出现吞吐量下降和延迟增加。
• 当发送速率达到 120 TPS 时，吞吐量显著下降，延迟明显上升，表明当前配置存在硬件限制。
• 在发送速率超过 120 TPS 时，交易成功率低于 100%，证实代理网络已达到其运行极限。
• 该系统具有高度可扩展性，借助 Hyperledger Fabric 的可扩展性，可支持至少 100 个代理网络节点。
• 未来改进措施，如私有通道和去中心化访问控制，可提升数据隐私和细粒度访问管理能力。