[论文解读] Boost Blockchain Broadcast Propagation with Tree Routing

Jia Kan, Lingyi Zou+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2018

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一句话总结

本文提出一种基于树形结构的路由模型，并引入集群冗余机制，以加速区块链广播传播并减少冗余流量。通过将节点组织为具有容错能力的分层树形结构与集群，该方法在保证消息传递效率的同时，相比传统gossip协议实现了更快的收敛速度，减少了消息重复，并提升了P2P区块链网络的性能。

ABSTRACT

In recent years, with the rapid development and popularization of BitCoin, the research of blockchain technology has also shown growth. It has gradually become a new generation of distributed, non-centralized and trust-based technology solution. However, the blockchain operation is expensive and transaction is delayed. Take BitCoin as an example. On the one hand, a block is produced every ten minute. On the other hand, once the new block is generated, it takes a certain time to propagate world wide. The slow speed of propagation determines that BitCoin can not use too small block interval time. Ethereum also faces similar problems, so the concept of uncle block was introduced to reduce blockchain forks. This paper introduces a new tree structure based broadcast propagation routing model, providing a novel method to organize network nodes and message propagation mechanism. In oder to avoid the single node failure problem, the tree cluster routing is proposed. The research shows that the tree based routing can accelerate broadcast convergence time and reduce redundant traffic.

研究动机与目标

• 针对传统gossip协议在区块链P2P网络中广播传播缓慢和冗余度高的问题提出解决方案。
• 在大规模区块链网络中提升收敛速度并减少带宽浪费。
• 通过集群冗余机制克服基于树形结构的路由中的单点故障问题。
• 设计一种可扩展、高效且可靠的区块链系统广播机制。

提出的方法

• 设计分层树形结构，以组织区块链节点，实现结构化的消息传播。
• 通过将节点分组为三个或更多节点的集群，实现集群冗余，每个节点负责向同一集群内的对等节点转发消息。
• 使用消息ID追踪机制，通过避免重复转发已接收消息来防止广播风暴。
• 通过允许消息在直接父子链路延迟或中断时经由集群内对等节点进行多路径转发，实现多路径路由。
• 结合gossip协议的可靠性与树形路由的高效性，以优化网络性能。
• 通过仿真评估模型，并与标准gossip协议对比收敛速度和流量效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在最小化冗余消息流量的同时，加速区块链广播传播？
• RQ2 在区块链网络中，gossip协议与基于树形结构的路由之间存在哪些性能权衡？
• RQ3 集群冗余能否有效缓解基于树形结构的广播网络中的单节点故障问题？
• RQ4 与传统的基于gossip的传播方式相比，基于集群的树形路由在收敛速度和网络效率方面提升了多少？

主要发现

• 基于树形结构的路由模型由于采用结构化且无冗余的消息转发机制，收敛速度优于gossip协议。
• 集群冗余有效防止了因单个节点失效导致的消息传播失败，显著提升了网络可靠性。
• 消息ID追踪机制成功通过消除重复消息转发，防止了广播风暴。
• 与gossip协议相比，该模型显著降低了整体网络流量和带宽使用，后者因重复节点通信而产生大量冗余。
• 在理想条件下，该树形模型在更少的传播周期内即可实现100%的收敛，每轮周期影响的节点数增长速率为2^N - 1。
• 混合方法结合了gossip协议的鲁棒性与树形路由的高效性，为高性能区块链网络提供了可扩展的解决方案。