[论文解读] ResilientDB

Suyash Gupta, Sajjad Rahnama+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 77被引用 3

一句话总结

GeoBFT 是一种拓扑感知的、地理规模的拜占庭容错共识协议，通过将副本分组为本地集群，实现并行共识执行并最小化集群间通信。在 ResilientDB 中实现后，其在地理分布部署中相较现有最先进协议实现了六倍性能提升。

ABSTRACT

Recent developments in blockchain technology have inspired innovative new designs in resilient distributed and database systems. At their core, these blockchain applications typically use Byzantine fault-tolerant consensus protocols to maintain a common state across all replicas, even if some replicas are faulty or malicious. Unfortunately, existing consensus protocols are not designed to deal with geo-scale deployments in which many replicas spread across a geographically large area participate in consensus. To address this, we present the Geo-Scale Byzantine Fault-Tolerant consensus protocol (GeoBFT). GeoBFT is designed for excellent scalability by using a topological-aware grouping of replicas in local clusters, by introducing parallelization of consensus at the local level, and by minimizing communication between clusters. To validate our vision of high-performance geo-scale resilient distributed systems, we implement GeoBFT in our efficient ResilientDB permissioned blockchain fabric. We show that GeoBFT is not only sound and provides great scalability, but also outperforms state-of-the-art consensus protocols by a factor of six in geo-scale deployments.

研究动机与目标

• 解决现有拜占庭容错共识协议在地理分布环境中可扩展性受限的问题。
• 降低大规模、全球部署的数据库系统中集群间的通信开销。
• 在跨广域网分布的副本中实现许可制区块链系统中的高性能共识。
• 设计一种弹性数据库架构，在大规模环境下维持一致性与容错能力。

提出的方法

• GeoBFT 将副本组织为地理上集中的集群，以减少网络延迟并提升故障隔离能力。
• 通过在每个本地集群内实现并行共识执行，提升吞吐量并降低延迟。
• 协议采用拓扑感知的副本分组策略，通过为每个集群指定主副本，从设计上最小化跨集群通信。
• 通过批量处理和优化视图变更与预准备消息，最小化集群间的通信。
• ResilientDB 是一种许可制区块链架构，实现了 GeoBFT，以在端到端层面提供可扩展的弹性与性能。
• 系统采用分层共识模型，确保本地共识在全局状态同步前完成。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在广域、地理分布的部署中有效扩展拜占庭容错共识？
• RQ2 哪些架构模式可在维持强一致性与容错能力的同时，最小化集群间通信？
• RQ3 在本地集群内实现并行共识是否能显著提升全球数据库系统的吞吐量与延迟表现？
• RQ4 拓扑感知的副本分组策略在真实部署中对共识协议的性能与弹性有何影响？
• RQ5 在地理规模环境中，许可制区块链架构在多大程度上可实现相较现有协议的六倍以下性能提升？

主要发现

• GeoBFT 在地理规模部署中相较现有最先进共识协议实现了六倍性能提升。
• 该协议通过利用本地化共识集群并最小化跨集群消息交换，显著减少了集群间通信。
• 与单体共识方法相比，本地集群内的并行共识执行显著提升了吞吐量并降低了延迟。
• 由 GeoBFT 驱动的 ResilientDB 即使在发生网络分区和恶意副本行为的情况下，也能维持强一致性和拜占庭容错能力。
• 拓扑感知的集群分组策略提升了故障隔离能力，并降低了广域部署中的端到端延迟。
• 实现结果表明，当通信模式针对网络拓扑进行优化时，地理分布共识可同时实现可扩展性与高效性。