[论文解读] ResilientDB: Global Scale Resilient Blockchain Fabric

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

Distributed systems and fault tolerance参考文献 49被引用 34

一句话总结

GeoBFT 是一个拓扑感知的、去中心化的 BFT 共识协议，实现在 ResilientDB 中，以在地理尺度实现高吞吐量，在地理部署中将其性能比现有最先进协议提升多达六倍。

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 FaultTolerant 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

• 为许可区块链中地理尺度的拜占庭容错（BFT）共识需求提供动力。
• 提出 GeoBFT，这是一个拓扑感知、去中心化的共识协议，通过在区域内对副本进行聚类来最小化全局通信。
• 展示一个全球共享协议，采用乐观的跨集群通信以及用于故障的远程视图更改机制。
• 在给定的故障模型下提供 GeoBFT 的安全性和活性证明。
• 通过在 ResilientDB 结构中实现 GeoBFT，并与其他 BFT 协议进行对比来进行验证。

提出的方法

• 提出 GeoBFT，使用区域聚类的副本并在各自群集内做出独立的本地 PBFT 决策。
• 开发一个乐观的跨集群共享协议，在最小化全局通信的同时实现故障检测。
• 实现一个远程视图更改协议，以处理跨集群的恶意行为和故障。
• 在指定的拜占庭故障模型下证明 GeoBFT 的安全性与活性属性。
• 将 GeoBFT 集成到 ResilientDB 的许可区块链架构中，并使用 YCSB 对 Pbft、Zyzzyva、HotStuff、Steward 和 PoE 进行基准测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在地理尺度上通过本地聚类和去中心化决策实现高效的共识？
• RQ2 哪种跨集群通信策略在地理分布环境中既能最大化吞吐量又能保持安全性？
• RQ3 如何通过远程视图更改机制检测并从故障和恶意行为中恢复？
• RQ4 在所描述的拜占庭模型下，GeoBFT 能否保证安全性和活性？
• RQ5 在地理尺度部署中，GeoBFT 相较现有 BFT 协议在吞吐量和扩展性方面有何表现？

主要发现

• GeoBFT 在地理尺度部署中实现了比现有 BFT 协议高出多达六倍的吞吐量。
• GeoBFT 提供了一种去中心化设计，其中每个集群都做出本地 PBFT 决策，降低了全局通信。
• 一个乐观的跨集群共享协议在最小化跨集群消息的同时保留故障检测能力。
• 一个远程视图更改协议使跨集群的故障和恶意行为能够恢复。
• 配备 GeoBFT 的 ResilientDB 在现实世界的地理分布环境中展示了可扩展的性能，并具备经过验证的安全性和活性保证。