[论文解读] 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 9

一句话总结

本文评估了在低功耗性能较弱的节点（如 NVIDIA Jetson TX2、Raspberry Pi 3）与传统高性能服务器之间，区块链的性能与能效表现。研究发现，像 Jetson TX2 这类高端性能较弱的节点，在能耗仅为 Xeon 服务器的 18 倍和 23 倍的情况下，仍可实现 Parity 和 Hyperledger 约 80% 和 30% 的吞吐量，表明在性能与功耗之间取得平衡的硬件上，实现高能效区块链是可行的。

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.

研究动机与目标

• 评估低功耗、性能较弱的节点是否能够高效运行完整的区块链工作负载，与传统高性能服务器进行对比。
• 评估不同硬件（包括 x86/64 和 ARM 架构）上区块链系统的时延-能耗性能权衡。
• 识别在不牺牲可接受区块链吞吐量的前提下，最大化能效的硬件配置。
• 探究低性能节点上性能表现不佳的根本原因，特别是与内存和带宽限制相关的问题。
• 分析共识协议（尤其是 PoW、PoA 和 PBFT）在低功耗环境下的能耗与性能影响。

提出的方法

• 在四种硬件平台（Intel Xeon、NUC、NVIDIA Jetson TX2 和 Raspberry Pi 3）上，对三种区块链系统（Ethereum，PoW；Parity，PoA；Hyperledger，PBFT）进行基准测试。
• 在不同客户端负载下测量端到端的交易吞吐量、延迟和功耗，以识别系统饱和点。
• 扩展 BLOCKBENCH 框架，以实现对 x86/64 和 ARM 系统中时间-能耗的详细分析。
• 开展同构与异构集群实验，评估混合节点环境下的可扩展性与能效表现。
• 分析较新版本 Ethereum 中的事务重启行为，以隔离性能瓶颈。
• 基于 CPU、内存、存储和功耗配置对硬件系统进行表征，以关联性能与能效表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 低功耗性能较弱的节点能否有效运行 Ethereum、Parity 和 Hyperledger 等完整区块链系统？
• RQ2 性能较弱节点在区块链工作负载中的性能-功耗比与传统高性能服务器相比如何？
• RQ3 内存容量与带宽在限制低性能节点上区块链性能方面起到什么作用？
• RQ4 更低的功耗配置是否总是意味着更高的区块链部署能效？
• RQ5 为何尽管 Ethereum 采用了更新的共识设计，其在性能较弱节点上仍表现出差且不稳定的性能？

主要发现

• Jetson TX2 节点在能耗仅为对应 Xeon 集群的 18 倍和 23 倍的情况下，分别实现了 Parity 约 80% 和 Hyperledger 约 30% 的吞吐量。
• Raspberry Pi 3 无法原生运行 Ethereum，且需进行大量代码修改才能运行 Hyperledger，原因在于内存和带宽严重不足。
• 尽管待机功耗更低（2W vs. 2.4W），Raspberry Pi 3 的能效仍低于 Jetson TX2，因其性能显著更低，导致单笔事务能耗更高。
• Ethereum 在性能较弱节点上因新块到达触发的事务重启，导致高延迟（8 个节点时达 195.6 秒）和低吞吐量，即使区块为空亦如此。
• 在包含 Xeon 和 TX2 节点的异构集群中，Hyperledger 的功耗降低 53%，吞吐量仅下降 35%，表明在可接受性能损失下可实现显著的节能效果。
• 在 TX2 集群中加入低性能的 Raspberry Pi 3 节点，仅带来 12% 的功耗节省，但导致吞吐量严重下降（Hyperledger 下降 62%），表明当性能差距过大时，能效表现极差。