[论文解读] CloudChain: A Cloud Blockchain Using Shared Memory Consensus and RDMA

Minghui Xu, Shuo Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 19被引用 5

一句话总结

CloudChain 提出了一种高性能、云原生的区块链，通过 RDMA 实现共享内存通信，在许可的云环境中实现低延迟共识。通过用 RDMA 支持的直接内存访问替代传统消息传递，CloudChain 在 8 MB 块大小下实现了亚秒级的区块确认时间，最高可达 6,347 TPS，同时在拜占庭故障下保持持久性和活性。

ABSTRACT

Blockchain technologies can enable secure computing environments among mistrusting parties. Permissioned blockchains are particularly enlightened by companies, enterprises, and government agencies due to their efficiency, customizability, and governance-friendly features. Obviously, seamlessly fusing blockchain and cloud computing can significantly benefit permissioned blockchains; nevertheless, most blockchains implemented on clouds are originally designed for loosely-coupled networks where nodes communicate asynchronously, failing to take advantages of the closely-coupled nature of cloud servers. In this paper, we propose an innovative cloud-oriented blockchain -- CloudChain, which is a modularized three-layer system composed of the network layer, consensus layer, and blockchain layer. CloudChain is based on a shared-memory model where nodes communicate synchronously by direct memory accesses. We realize the shared-memory model with the Remote Direct Memory Access technology, based on which we propose a shared-memory consensus algorithm to ensure presistence and liveness, the two crucial blockchain security properties countering Byzantine nodes. We also implement a CloudChain prototype based on a RoCEv2-based testbed to experimentally validate our design, and the results verify the feasibility and efficiency of CloudChain.

研究动机与目标

• 通过利用 RDMA 和共享内存等云原生特性，解决传统区块链在紧密耦合的云环境中效率低下的问题。
• 设计一种共识协议，确保在基于云的同步网络中存在拜占庭节点时仍具备持久性和活性。
• 通过使用 RDMA 绕过操作系统内核，实现直接内存访问，消除区块链通信中的操作系统内核瓶颈。
• 构建并评估一种云优化的区块链系统，其在延迟和吞吐量方面优于传统基于消息传递的区块链。
• 证明区块链与云基础设施的深度集成可在不牺牲去中心化或安全性的情况下实现高性能。

提出的方法

• CloudChain 采用三层模块化架构：网络层、共识层和区块链层，支持具有不同设备容量的异构客户端。
• 通过使用 RDMA 实现共享内存通信模型，实现节点之间的同步、低延迟通信，绕过操作系统内核。
• 共享内存共识算法（SMCA）设计用于在拜占庭条件下确保持久性和活性，基于领导者投票机制在共享内存上运行。
• SMCA 利用 RDMA 实现快速可靠的通信与协调，支持节点间快速的区块排序与验证。
• 系统基于 RoCEv2 测试平台在多台服务器上实现，使用支持 RDMA 的网卡，实现高达 400 Gb/s 的带宽和低延迟。
• 性能评估使用不同网络规模（5–15 个节点）和块大小（2–8 MB）的真实工作负载，测量延迟、吞吐量和容错能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在支持低延迟、同步通信的紧密耦合云环境中，如何优化区块链共识？
• RQ2 基于 RDMA 的共享内存能否替代区块链共识中的传统消息传递，以降低延迟并提高吞吐量？
• RQ3 在云环境中，共享内存共识算法（SMCA）在拜占庭条件下能多大程度上维持持久性和活性？
• RQ4 网络规模和块大小如何影响 CloudChain 等云优化区块链的延迟和吞吐量？
• RQ5 云原生区块链能否在不牺牲去中心化或对拜占庭攻击的防御能力的情况下实现高性能？

主要发现

• 对于 15 个节点的 2 MB 块，CloudChain 实现了约 992.277 ms 的区块确认延迟，表明在更大网络中具备可扩展性。
• 随着网络规模从 5 个节点增至 15 个节点，吞吐量从 5,379 TPS 降低至 3,628 TPS，主要由于投票扫描和通道竞争增加。
• 在 8 MB 块大小下，CloudChain 实现了 4,512.822 ms 的延迟和 6,347 TPS 的吞吐量，表明更大的块可提升吞吐量而不增加传输延迟。
• 对于 2 MB 块，CloudChain 实现了 4,404 TPS 的吞吐量和 1,649.237 ms 的验证延迟，性能显著优于传统区块链。
• 当领导者为诚实节点时，共识延迟在不同拜占庭比例（6.25% 至 37.50%）下基本保持恒定（约 60–360 ms），表明对拜占庭节点具有鲁棒性。
• 原型验证表明，基于 RDMA 的共享内存可实现亚秒级的区块确认时间与高效的节点间通信，证实了该设计的可行性。