[论文解读] Scaling Blockchain Databases through Parallel Resilient Consensus Paradigm.

Suyash Gupta, Jelle Hellings+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 21被引用 12

一句话总结

本文提出了 MultiBFT，一种协议无关的范式，通过并行运行多个 BFT 协议实例来提升主从拜占庭容错（BFT）共识的性能，从而实现更高的事务吞吐量。通过在并行实例之间持续排序客户端事务，MultiBFT 实现了最高达 2 倍的性能提升，峰值吞吐量达到每秒 320,000 笔事务，同时保持了安全性和活性。

ABSTRACT

The recent surge in blockchain applications and database systems has renewed the interest in traditional Byzantine Fault Tolerant consensus protocols (BFT). Several such BFT protocols follow a primary-backup design, in which a primary} replica coordinates the consensus protocol. In primary-backup designs, the normal-case operations are rather simple. At the same time, primary-backup designs place an unreasonable burden on primaries and allows malicious primaries to affect the system throughput substantially, however. To resolve this situation, we propose the MultiBFT paradigm, a protocol-agnostic approach towards improving the performance of primary-backup consensus protocols. At the core of MultiBFT is an approach to continuously order the client-transactions by running several instances of the underlying BFT protocol in parallel. We bring forth our paradigm to two well-established BFT protocols and demonstrate that the rendered parallelized protocols are not only safe and live but also significantly outperform, up to $2 imes$, their original non-parallelized forms. Further, we show that our MultiBFT paradigm reaches a throughput of up to $320$K transactions per second.

研究动机与目标

• 解决由于主副本过载而导致主从 BFT 共识协议性能瓶颈的问题。
• 降低恶意或故障主副本对系统吞吐量的影响。
• 设计一种协议无关的框架，以增强现有 BFT 协议，而无需修改其核心逻辑。
• 通过支持共识实例的并行执行，在保持安全性和活性的同时扩展区块链数据库。

提出的方法

• MultiBFT 范式并行运行底层 BFT 协议的多个实例，以将共识负载分发到各个副本上。
• 通过使用一致的排序机制协调并行的 BFT 实例，持续对客户端事务进行排序。
• 该方法具有协议无关性，意味着可适用于任何现有主从 BFT 协议，且仅需极少修改。
• 通过在所有并行实例中强制执行严格的一致性和容错保证，确保系统具备安全性和活性。
• 一个协调层负责事务分发和最终排序，以防止冲突并确保全局一致性。
• 通过将共识工作负载分布到多个副本上，避免单点故障，降低对单一主副本的依赖。

实验结果

研究问题

• RQ1 并行执行 BFT 共识实例是否能在不损害安全性或活性的情况下提升吞吐量？
• RQ2 与非并行化的 BFT 协议相比，MultiBFT 范式在事务吞吐量方面表现如何？
• RQ3 在不同工作负载和故障条件下，MultiBFT 范式在多大程度上能够扩展区块链数据库？
• RQ4 该范式是否可以通用化地应用于不同 BFT 协议，而无需进行协议特定的修改？
• RQ5 在实际部署中，使用 MultiBFT 方法可达到的最大吞吐量是多少？

主要发现

• 与原始的非并行化 BFT 协议相比，MultiBFT 范式实现了最高达 2 倍的吞吐量提升。
• 并行化协议在拜占庭故障下仍能保持安全性和活性，确保正确性和可靠性。
• 系统达到峰值吞吐量 320,000 笔事务每秒，展现出显著的可扩展性。
• 性能提升在不同工作负载和故障场景下均保持一致。
• 协议无关的设计使得其可无缝集成到多种现有 BFT 协议中。
• 该方法有效缓解了恶意或过载主副本导致的性能下降问题。