[论文解读] Evaluating the Red Belly Blockchain

Crain, Tyler, Natoli, Christopher+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 34被引用 27

一句话总结

Red Belly Blockchain (RBBC) 是一种确定性拜占庭容错区块链，通过新颖的提议者和验证者分片机制实现高吞吐量和低延迟。通过将交易提议和签名验证工作分配给多个节点，RBBC 在 14 个数据中心的 1,000 个节点上实现扩展，达到每秒 660,000 笔交易，且确认时间仅为 3 秒——在吞吐量和延迟方面均优于传统 BFT 和随机化方案。

ABSTRACT

In this paper, we present the most extensive evaluation of blockchain system to date. To achieve scalability across servers in more than 10 countries located on 4 different continents, we drastically revisited Byzantine fault tolerant blockchains and verification of signatures. The resulting blockchain, called the Red Belly Blockchain (RBBC), commits more than a hundred thousand transactions issued by permissionless nodes. These transactions are grouped into blocks within few seconds through a partially synchronous consensus run by permissioned nodes. It prevents double spending by guaranteeing that a unique block is decided at any given index of the chain in a deterministic way by all participants. We compared the performance of RBBC against traditional Byzantine fault tolerant alternatives and more recent randomized solutions. In the same geo-distributed environment with low-end machines, we noticed two interesting comparisons: (i) the RBBC throughput scales to hundreds of machines whereas the classic 3-step leader-based BFT state machine used by consortium blockchains cannot scale to 40 identically configured nodes; (ii) RBBC guarantees transaction finality in 3 seconds and experiences a third of the latency that randomized-based solutions like HoneyBadgerBFT can offer. This empirical evaluation demonstrates that blockchain scalability can be achieved without sacrificing security.

研究动机与目标

• 解决现有拜占庭容错区块链的可扩展性限制，这些系统通常在 4–40 个节点时达到峰值。
• 设计一种在扩展至数百或数千个地理分布节点的同时，仍能保持强安全保证（包括最终性和拜占庭容错性）的区块链。
• 在真实世界条件下评估系统的性能和鲁棒性，包括网络延迟、行为异常节点和大规模工作负载。
• 证明在部分同步、全球分布环境中，高吞吐量和低延迟可以实现，而无需牺牲安全性或一致性。

提出的方法

• RBBC 使用一种新颖的分片机制，将不同的提议者和验证者组分配给不同的交易集合，从而分担通信和计算负载。
• 来自多个提议者的提议被组合成‘超区块’，减少共识往返开销，提高单个共识实例的吞吐量。
• 签名验证被分片，使得每笔交易由至少 t+1 个且最多 2t+1 个验证者进行验证，其中 t 是可容忍的拜占庭故障最大数量。
• 共识协议在时间上最优且容错能力最优，在部分同步网络中可容忍 t < n/3 的拜占庭故障，确保确定性最终性。
• 系统使用 ECDSA 进行交易签名，采用 UTXO 模型进行状态管理，确保与比特币安全模型的兼容性。
• 实验在四大洲的 14 个数据中心进行，使用高性能和低性能机器，工作负载范围从 1,000 到 50,000 个请求者。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种确定性拜占庭容错区块链是否能在不牺牲安全性或最终性的情况下，扩展到数百或数千个地理分布的数据中心节点？
• RQ2 与传统基于领导者的 BFT 协议相比，分片提议者和验证者如何影响吞吐量、延迟和负载均衡？
• RQ3 在真实世界网络条件下（包括可变延迟和行为异常节点），RBBC 的性能表现如何？
• RQ4 在全局部署中，RBBC 的吞吐量和延迟与经典基于领导者的 BFT 协议及随机化 BFT 协议（如 HoneyBadgerBFT）相比如何？
• RQ5 在拜占庭攻击下，系统在消息篡改和延迟传输等情况下的性能和安全性维持程度如何？

主要发现

• 当在单个数据中心的 260 台机器上部署且故障容忍参数 t 较低时，RBBC 达到了每秒 660,000 笔交易的峰值吞吐量。
• 在 14 个数据中心的全球部署中，1,000 个副本的 RBBC 持续实现了约每秒 30,684 笔交易的吞吐量，交易提交延迟约为 3 秒。
• RBBC 的延迟仅为 HoneyBadgerBFT 的三分之一，实现了 3 秒的最终性，同时在吞吐量方面也优于后者。
• 该系统成功扩展至 1,000 个节点，分布在 14 个数据中心，证明分片提议者和验证者能有效防止瓶颈，并避免传统 BFT 协议中常见的可扩展性瓶颈。
• 在拜占庭攻击下，RBBC 仍能维持正确的共识决策并持续提交交易，表现出对消息篡改和延迟传输的鲁棒性。
• 系统在达到 260 个节点后变为 CPU 瓶颈，此后性能趋于平缓，表明进一步扩展需要网络层面的优化。