[论文解读] Untangling Blockchain: A Data Processing View of Blockchain Systems

Tien Tuan Anh Dinh, Rui Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2017

Blockchain Technology Applications and Security被引用 111

一句话总结

本论文通过四大核心构建块对私有区块链系统进行综述，介绍 BLOCKBENCH 作为基准测试框架，并评估 Ethereum、Parity 和 Hyperledger Fabric，以揭示与数据库的性能差距并提出数据库化的改进。

ABSTRACT

Blockchain technologies are gaining massive momentum in the last few years. Blockchains are distributed ledgers that enable parties who do not fully trust each other to maintain a set of global states. The parties agree on the existence, values and histories of the states. As the technology landscape is expanding rapidly, it is both important and challenging to have a firm grasp of what the core technologies have to offer, especially with respect to their data processing capabilities. In this paper, we first survey the state of the art, focusing on private blockchains (in which parties are authenticated). We analyze both in-production and research systems in four dimensions: distributed ledger, cryptography, consensus protocol and smart contract. We then present BLOCKBENCH, a benchmarking framework for understanding performance of private blockchains against data processing workloads. We conduct a comprehensive evaluation of three major blockchain systems based on BLOCKBENCH, namely Ethereum, Parity and Hyperledger Fabric. The results demonstrate several trade-offs in the design space, as well as big performance gaps between blockchain and database systems. Drawing from design principles of database systems, we discuss several research directions for bringing blockchain performance closer to the realm of databases.

研究动机与目标

• 在四个维度上对私有区块链的现状进行综述：分布式账本、密码学、共识和智能合约。
• 引入 BLOCKBENCH 作为私有区块链的基准测试框架。
• 对主要区块链进行实证评估，以识别性能瓶颈和设计权衡。
• 提供来自数据库的设计原则，以指导未来区块链性能改进。

提出的方法

• 将区块链分为公开与私有以及四个构建块（分布式账本、密码学、共识、智能合约）。
• 描述并阐明 BLOCKBENCH 框架用于在数据处理工作负载上评估私有区块链的动机。
• 使用 BLOCKBENCH 对 Ethereum、Parity 与 Hyperledger Fabric 进行实证评估。
• 分析性能瓶颈并将区块链性能与数据库系统进行比较。
• 讨论经验教训和来自数据库的设计原则，以改进区块链。

实验结果

研究问题

• RQ1 区块链系统的核心构建块是什么（分布式账本、密码学、共识、智能合约）？
• RQ2 相较于彼此和传统数据库，私有区块链在数据处理工作负载上的性能如何？
• RQ3 哪些瓶颈限制区块链性能，哪些来自数据库的原则可以改进它们？
• RQ4 在 BLOCKBENCH 工作负载下，Ethereum、Parity 和 Hyperledger Fabric 在能力和性能方面的比较如何？

主要发现

• 在运行数据处理工作负载时，区块链目前的性能落后于最先进的数据库。
• 分布式账本、共识和智能合约执行存在明显的设计权衡，影响吞吐量和延迟。
• 使用确定性共识的私有区块链（如 PBFT 变体）在性能和可扩展性上与基于 PoW 的系统有显著差异。
• 评估识别了加密操作、数据访问模式和网络通信等方面的瓶颈，阻碍性能。
• 来自数据库的设计原则可以为提升区块链性能和效率提供指导。