[论文解读] SimBlock: A Blockchain Network Simulator

Yusuke Aoki, Kai Otsuki+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 2被引用 9

一句话总结

SimBlock 是一个事件驱动的区块链网络仿真器，使研究人员能够通过轻松配置节点行为（如邻居选择和中继网络）来建模和分析区块链动态，特别是区块传播时间。它准确复现了类似比特币的行为，并表明优化的邻居选择和中继网络可使区块传播时间减少 30%以上，5% 的中继网络参与度可将传播时间降至基线的 70% 以下。

ABSTRACT

Blockchain, which is a technology for distributedly managing ledger information over multiple nodes without a centralized system, has elicited increasing attention. Performing experiments on actual blockchains are difficult because a large number of nodes in wide areas are necessary. In this study, we developed a blockchain network simulator SimBlock for such experiments. Unlike the existing simulators, SimBlock can easily change behavior of node, so that it enables to investigate the influence of nodes' behavior on blockchains. We compared some simulation results with the measured values in actual blockchains to demonstrate the validity of this simulator. Furthermore, to show practical usage, we conducted two experiments which clarify the influence of neighbor node selection algorithms and relay networks on the block propagation time. The simulator could depict the effects of the two techniques on block propagation time. The simulator will be publicly available in a few months.

研究动机与目标

• 为解决由于高成本和难以获取真实网络数据而导致大规模区块链实验困难的问题。
• 开发一种灵活且准确的仿真器，使研究人员能够轻松修改节点行为和网络配置。
• 评估邻居节点选择算法和中继网络对区块链系统中区块传播时间的影响。
• 通过与真实区块链测量结果对比验证仿真器，并证明其在实际研究中的实用性。

提出的方法

• SimBlock 是一个事件驱动的仿真器，区块生成和消息传输/接收被建模为离散事件。
• 节点行为（包括区块生成概率和邻居选择）可轻松自定义，以模拟各种挖矿和网络策略。
• 区块传播通过点对点协议模拟，节点通过交换 INV 和 GETDATA 消息来避免大区块的重复传输。
• 仿真器支持可配置的网络拓扑结构，并允许基于用户定义算法的动态邻居选择。
• 中继网络通过为参与节点分配更高的带宽（10 倍）来建模，以模拟更快的区块传播。
• 仿真参数校准为匹配比特币的配置，包括区块生成概率和网络规模。

实验结果

研究问题

• RQ1 邻居节点选择算法的选择如何影响区块链网络中的区块传播时间？
• RQ2 中继网络在多大程度上可以减少区块链系统中的区块传播延迟？
• RQ3 中继网络中的参与率如何影响参与节点与非参与节点之间传播时间的差异？
• RQ4 该仿真器能否准确复现现实世界中的区块链行为，特别是区块传播特性？

主要发现

• 所提出的邻居节点选择算法相比固定邻居配置，将中位数区块传播时间减少了 30%以上，即使在仅 100 个区块后也观察到改善。
• 计算能力更高的节点由于邻居选择机制而倾向于在网络中成为中心节点，可能引入网络偏差。
• 中继网络中 5% 的参与率已将所有节点的中位数区块传播时间降至原始时间的 70% 以下。
• 中继网络参与节点之间的区块传播时间显著快于基线网络，且随着参与度提高，性能进一步提升。
• 仿真器的结果与真实世界测量结果高度吻合，验证了其在区块链研究中的准确性。
• 该仿真器支持高效实验各种网络配置和协议，包括未来对紧凑区块传输的支持。