[论文解读] TOY: a Total ordering Optimistic sYstem for Permissioned Blockchains.

Yehonatan Buchnik, Roy Friedman|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2019

Blockchain Technology Applications and Security被引用 1

一句话总结

TOY 是一种许可区块链系统，通过使用乐观执行机制提升吞吐量，其中最后 f+1 个区块为暂定状态，若提议者存在拜占庭故障则可被撤销。在理想条件下，单个数据中心内可实现高达每秒 160,000 笔交易，而在包含 10 个节点的地理分布设置中，512 字节的交易可实现每秒 30,000 笔交易。

ABSTRACT

Blockchains are distributed secure ledgers to which transactions are issued continuously and each block is tightly coupled to its predecessors. Permissioned blockchains place special emphasis on transactions throughput. In this paper we present TOY, which leverages the iterative nature of blockchains in order to improve their throughput in optimistic execution scenarios. TOY trades latency for throughput in the sense that in TOY the last f+1 blocks of each node's blockchain are considered tentative, i.e., they may be rescinded in case one of the last f+1 blocks proposers was Byzantine. Yet, when optimistic assumptions are met, a new block is decided in each communication step, which consists of a proposer that sends only its proposal and all other participants are sending a single bit each. Our performance study demonstrates that in a single Amazon data-center, TOY running on 10 mid-range Amazon nodes obtains a throughput of up to 160K transactions per second for (typical Bitcoin size) 512 bytes transactions. In a 10 nodes Amazon geo-distributed setting with 512 bytes transactions, TOY obtains a throughput of 30K transactions per second.

研究动机与目标

• 解决许可区块链中对高交易吞吐量的需求，同时保持安全性和一致性。
• 通过在正常操作期间最小化消息大小，减少区块链中的通信开销。
• 在乐观假设下实现快速区块确认，即在最后 f+1 个区块中未发生拜占庭故障。
• 优化实际部署场景下的性能，包括单数据中心和地理分布环境。
• 通过允许一小段暂定区块窗口，在乐观条件下实现高吞吐量的同时平衡延迟与吞吐量。

提出的方法

• 引入一种全局排序机制，使得在乐观假设下每个通信步骤均可完成区块确认。
• 采用一种模型，其中最后 f+1 个区块被视为暂定，即若其提议者存在拜占庭故障则可被撤销。
• 将参与者之间的通信限制为每轮每个节点仅发送一位，显著降低带宽使用。
• 允许提议者每轮仅发送其提议，最大限度减少消息开销。
• 利用区块链的迭代特性，在无故障发生时实现区块的快速传播与确认。
• 设计系统以在发生拜占庭故障时能够优雅恢复，必要时通过重新组织区块链实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否有效利用乐观执行机制在不牺牲安全性的前提下提升许可区块链的吞吐量？
• RQ2 将每轮每个参与者的通信开销减少至仅一位，能带来多大的性能提升？
• RQ3 在假设最后 f+1 个区块中无拜占庭故障的前提下，区块链系统的可实现吞吐量是多少？
• RQ4 该系统在不同网络拓扑结构（如单数据中心与地理分布部署）下的吞吐量扩展能力如何？
• RQ5 在许可区块链环境中，使用暂定区块时，延迟与吞吐量之间存在何种权衡？

主要发现

• 在包含 10 个中等配置节点的单个亚马逊数据中心中，TOY 对于 512 字节的交易实现了每秒 160,000 笔的峰值吞吐量。
• 在类似交易大小的 10 个节点地理分布设置中，TOY 实现了每秒 30,000 笔的吞吐量。
• 在乐观条件下，系统维持了高吞吐量，即在最后 f+1 个区块中未检测到拜占庭故障。
• 通信开销被大幅降低，每个非提议者参与者每轮仅发送一位。
• 当假设成立时，系统可在每个通信步骤中实现区块确认，与传统共识协议相比，显著提升了每笔交易的延迟性能。
• 性能增益在集中式与分布式网络配置中均保持一致，展现出强大的可扩展性与效率。