[论文解读] SBFT: a Scalable Decentralized Trust Infrastructure for Blockchains.

Guy Golan-Gueta, Ittai Abraham+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 41被引用 73

一句话总结

SBFT 提出了一种可扩展的拜占庭容错（BFT）共识协议，专为区块链去中心化设计，支持超过100个副本，并实现每秒50笔交易、亚秒级终局性——比以太坊当前的5 TPS快10倍，且比PoW的终局性快10倍以上。该协议可在地理复制的容错环境中高效执行以太坊EVM智能合约。

ABSTRACT

We present SBFT: a scalable decentralized trust infrastructure for Blockchains. SBFT implements a new Byzantine fault tolerant algorithm that addresses the challenges of scalability and decentralization. Unlike many previous BFT systems that performed well only when centralized around less than 20 replicas, SBFT is optimized for decentralization and can easily handle more than 100 active replicas. SBFT provides a smart contract execution environment based on Ethereum's EVM byte-code. We tested SBFT by running 1 million EVM smart contract transactions taken from a 4-month real-world Ethereum workload. In a geo-replicated deployment that has about 100 replicas and can withstand $f=32$ Byzantine faults our system shows speedups both in throughput and in latency. SBFT completed this execution at a rate of 50 transactions per second. This is a $10 imes$ speedup compared to Ethereum current limit of $5$ transactions per second. SBFT latency to commit a smart contract execution and make it final is sub-second, this is more than $10 imes$ speedup compared to Ethereum current $>15$ second block generation for registering a smart contract execution and several orders of magnitude speedup relative to Proof-of-Work best-practice finality latency of one-hour.

研究动机与目标

• 解决现有拜占庭容错（BFT）系统在超过20个副本后可扩展性差的问题。
• 设计一种BFT协议，在超过100个活跃副本的去中心化、地理分布环境中保持高性能和强一致性。
• 提供一个兼容以太坊EVM字节码的生产就绪型智能合约执行环境，适用于现实世界的区块链工作负载。
• 在容许最多f=32个拜占庭故障的系统中，实现低延迟终局性和高吞吐量的智能合约事务处理。

提出的方法

• SBFT 引入了一种专为超过100个副本的大规模去中心化部署而优化的新BFT共识算法。
• 其采用基于视图的主从架构，结合高效的通信模式，以减少消息开销并提升吞吐量。
• 系统支持跨多个数据中心的地理复制部署，实现低延迟的跨区域协调。
• 它集成了基于以太坊EVM字节码的智能合约执行环境，支持原生执行现实世界的以太坊工作负载。
• SBFT 使用基于领导者的共识模型，结合视图切换和检查点机制，确保在拜占庭故障下仍具备活性和一致性。
• 该协议旨在最小化每笔事务的通信和计算成本，即使在大规模部署下也能实现高吞吐量和低延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 当扩展到超过100个去中心化副本时，BFT共识协议能否保持高吞吐量和低延迟？
• RQ2 在现实世界的智能合约工作负载中，SBFT的性能与以太坊当前的5 TPS限制以及PoW的终局性相比如何？
• RQ3 在去中心化、地理复制的环境中，SBFT在多大程度上能实现亚秒级的终局性？
• RQ4 SBFT如何在不牺牲性能或一致性的前提下，处理最多f=32个拜占庭故障？
• RQ5 SBFT能否在无需修改或显著性能开销的情况下，高效执行现实世界的以太坊智能合约工作负载？

主要发现

• 在执行100万笔现实世界的以太坊智能合约事务时，SBFT实现了每秒50笔交易的吞吐量，相比以太坊当前5 TPS的限制提升了10倍。
• 系统实现了亚秒级的事务提交与终局化延迟，相比以太坊当前超过15秒的区块生成时间，性能提升超过10倍。
• SBFT在约100个副本的地理复制部署中表现出稳健的性能和一致性，并能容忍最多f=32个拜占庭故障。
• 即使在高负载和网络分区条件下，协议仍保持高吞吐量和低延迟，证实了其可扩展性和容错能力。
• SBFT成功执行了现实世界的以太坊工作负载，具备EVM字节码兼容性，证明其在生产级区块链系统中的实用性。
• 与最佳实践的PoW区块链相比，SBFT在终局延迟方面实现了数个数量级的改进，后者通常需要约一小时才能实现终局性。