[论文解读] Chain of Trust: Can Trusted Hardware Help Scaling Blockchains?

Hung Dang, Anh Dinh+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 35被引用 7

一句话总结

本文提出利用可信硬件通过引入两项设计原则来提升区块链共识协议的可扩展性：'通过缩小规模实现扩展' 和 '优先处理共识消息'。这些原则使吞吐量显著提升——在 Hyperledger Fabric 中最高达 7 倍，在分片协议中分片创建成本最高降低 32 倍，同时在网络规模增长时仍能保持系统正常运行。

ABSTRACT

As blockchain systems proliferate, there remains an unresolved scalability problem of their underlying distributed consensus protocols. Byzantine Fault Tolerance (BFT) consensus protocols offer high transaction throughput, but can only support small networks. Proof-of-Work (PoW) consensus protocol, on the other hand, can support thousands of nodes, but at the expense of poor transaction throughput. Two potential approaches to address these scalability barriers are by relaxing the threat model, or by employing sharding technique to deal with large networks. Nonetheless, their effectiveness on data-intensive blockchain workloads remains to be seen. In this work, we study the use and effectiveness of trusted hardware on scaling distributed consensus protocols, and by their extension, blockchain systems. We first analyze existing approaches that harness trusted hardware to enhance scalability, and identify their limitations. Drawing insights from these results, we propose two design principles, namely scale up by scaling down and prioritize consensus messages, enabling the consensus protocols to scale. We illustrate the two principles by presenting optimizations that improve upon state-of-the-art solutions, and demonstrate via our extensive evaluations that they indeed offer better scalability. In particular, integrating our optimizations into Hyperledger Fabric achieves up to 7x higher throughput, while enabling the system to remain operational as the network expands. Another optimization that we introduce to Hyperledger Sawtooth allows the system to sustain high throughput as the network grows. Finally, our new design for sharding protocols reduces the cost of shard creation phase by up to 32x.

研究动机与目标

• 为解决区块链共识协议的可扩展性限制，特别是网络规模与交易吞吐量之间的权衡问题。
• 探究可信硬件是否能有效提升拜占庭容错（BFT）和工作量证明（PoW）共识协议的可扩展性。
• 识别现有基于可信硬件方法的局限性，并推导出提升可扩展性的设计原则。
• 基于这些原则优化现有区块链系统（如 Hyperledger Fabric 和 Sawtooth），实现更高的吞吐量和可扩展性。

提出的方法

• 提出两项设计原则：'通过缩小规模实现扩展' 以减少每个节点的开销，以及 '优先处理共识消息' 以提升消息处理效率。
• 将这些原则应用于优化 Hyperledger Fabric，降低共识消息处理延迟并提高吞吐量。
• 设计一种基于可信硬件的分片协议，利用硬件强制保证完整性和机密性，最小化分片创建成本。
• 使用可信执行环境（TEEs）强制实施消息优先级，减少对单个节点的信任需求。
• 在不同网络规模和工作负载的真实部署中评估所提出的优化方案。
• 与最先进的解决方案进行对比，量化吞吐量和可扩展性的提升效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 可信硬件能否有效缓解 BFT 和 PoW 共识协议中的可扩展性瓶颈？
• RQ2 像 '通过缩小规模实现扩展' 和 '优先处理共识消息' 这类设计原则如何提升大规模区块链中的共识效率？
• RQ3 可信硬件在多大程度上能降低分片协议的开销，特别是分片创建阶段的开销？
• RQ4 在 Hyperledger Fabric 和 Sawtooth 等实际区块链系统中应用这些硬件优化设计后，可实现多大的性能提升？
• RQ5 随着网络规模的增加，可信硬件的集成如何保持系统可用性和安全性？

主要发现

• 将所提出的优化集成到 Hyperledger Fabric 后，交易吞吐量最高提升了 7 倍，同时支持更大的网络规模。
• 针对 Hyperledger Sawtooth 的优化设计在网络规模增加时仍能维持高吞吐量，展现出更好的横向可扩展性。
• 新型分片协议设计将分片创建阶段的成本相比现有方法降低了最多 32 倍。
• 使用可信硬件实现了更高效的优先级消息处理，降低了共识延迟并提升了吞吐量。
• 所提出的设计原则有效平衡了安全性和性能，在负载增加时仍能维持系统正常运行。
• 评估结果证实，可信硬件可成为突破传统共识协议可扩展性限制的关键技术。