[论文解读] Trustworthy Edge Computing through Blockchains

Abdullah Al-Mamun, Dongfang Zhao|arXiv (Cornell University)|May 15, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文提出 DEAN，一种面向边缘计算的基于区块链的共识协议，通过在边缘节点间去中心化信任，实现在资源受限环境下的可信数据共享。通过并行区块处理与智能负载均衡，DEAN 在 1,000 个节点的网络中，吞吐量最高比以太坊、Parity 和 Hyperledger Fabric 提高 25 倍，延迟降低 18 倍，同时在任意故障下仍能保持超过 50% 的可信节点比例，展现出高度的鲁棒性。

ABSTRACT

Edge computing draws a lot of recent research interests because of the performance improvement by offloading many workloads from the remote data center to nearby edge nodes. Nonetheless, one open challenge of this emerging paradigm lies in the potential security issues on edge nodes and end devices, e.g., sensors and controllers. This paper proposes a cooperative protocol, namely DEAN, across edge nodes to prevent data manipulation, and to allow fair data sharing with quick recovery under resource constraints of limited storage, computing, and network capacity. Specifically, DEAN leverages a parallel mechanism equipped with three independent core components, effectively achieving low resource consumption while allowing secured parallel block processing on edge nodes. We have implemented a system prototype based on DEAN and experimentally verified its effectiveness with a comparison with three popular blockchain implementations: Ethereum, Parity, and Hyperledger Fabric. Experimental results show that the system prototype exhibits high resilience to arbitrary failures: the percentile of trusty nodes is much higher than the required 50\% in most cases. Performance-wise, DEAN-based blockchain implementation outperforms the state-of-the-art blockchain systems with up to $25 imes$ higher throughput and $18 imes$ lower latency on 1,000 nodes.

研究动机与目标

• 解决资源受限的边缘节点和终端设备缺乏安全、可扩展且高效的共识协议的问题。
• 克服传统区块链系统（如高存储、计算和网络需求）与边缘环境不兼容的局限性。
• 设计一种去中心化、容错的协议，确保在异构、无线边缘网络中面对任意节点故障时的数据完整性和韧性。
• 通过在边缘部署中对计算、存储和网络资源进行优化的负载均衡，实现高性能与低开销。
• 通过在真实系统原型中进行对比基准测试，证明基于区块链的信任机制可有效适配边缘计算。

提出的方法

• 提出 DEAN，一种去中心化、面向边缘优化的区块链协议，将边缘节点划分为传感器和存储角色，以平衡负载并减轻资源压力。
• 实现一种并行区块处理机制，包含三个独立的核心组件：区块生成、验证和存储，支持并发执行，降低延迟。
• 采用受 PBFT 和全复制启发的混合共识模型，在消息数量少于传统 PBFT 的同时，确保拜占庭容错性，并最小化存储开销。
• 应用数据压缩和浅层复制技术，减少存储需求，使区块链在内存和存储受限的设备上可行。
• 将事务处理分布在传感器节点和存储节点之间，以平衡计算和网络负载，提升可扩展性和容错能力。
• 设计一种动态负载均衡策略，可适应节点异构性和网络状况，平滑不同传感器-存储节点比例下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以不依赖高端硬件或集中式信任，有效将基于区块链的共识协议适配到资源受限的边缘节点？
• RQ2 在去中心化的边缘网络中，所提出的 DEAN 协议如何在任意节点故障下保持高数据保真度和韧性？
• RQ3 在大规模边缘部署中，DEAN 相较于以太坊、Parity 和 Hyperledger Fabric 等现有区块链系统，在吞吐量和延迟方面能提升多少？
• RQ4 传感器节点与存储节点比例的变化在真实边缘环境中如何影响 DEAN 协议的性能和可靠性？
• RQ5 并行处理与智能负载均衡的结合是否能显著降低资源消耗，同时在边缘计算中保持强安全保证？

主要发现

• 基于 DEAN 的区块链原型在 1,000 个节点的边缘网络中，吞吐量最高比以太坊、Parity 和 Hyperledger Fabric 提高 25 倍，延迟降低 18 倍。
• 在大多数配置下，系统保持超过 50% 的可信节点比例，证明其对任意节点故障具有强韧性。
• 吞吐量和延迟在不同传感器-存储节点比例下保持稳定，即使在极端比例（如 1:5）下也未观察到显著性能下降。
• 较大的传感器-存储节点比例（如 1:5）可产生更平滑的性能曲线，因为传感器-存储链路的带宽通常高于存储节点之间的内部网络。
• 所有测试节点规模下的性能趋势均一致且可预测，表明 DEAN 随网络规模增大而有效扩展。
• 系统原型能以极小的方差处理高事务负载，证实了并行处理与负载均衡设计的鲁棒性。