面向数据中心网络结构的区块链系统性能研究.pdf

doi:10.11920/.2024.02.009Journal of Southwest Minzu University(Natural ScienceEdition)Vol.50 No.2第50 卷第2 期Mar.20242024年3月西南民族大自然科学版）面向数据中心网络结构的区块链系统性能研究陈海浩，尹翔宇，陈曦1*,黄晓明,林大茂3，姚先洪4，葛澍，兰丽莎（1.西南民族大学计算机科学与工程学院，成都四川6 10 0 41;2.成都融微软件服务有限公司，成都四川6 10 0 95；3.迈普通信技术股份有限公司，成都四川6 10 0 47;4.科来网络技术股份有限公司，成都四川6 10 0 95；5.四川省技术市场协会，成都四川6 10 0 95)摘要：第二代区块链技术以太坊引入了智能合约机制，众多去中心化应用（DApp）应运而生，并广泛应用于各行业.面向典型数据中心网络（DCN），研究部署于不同底层网络拓扑结构下区块链运行性能存在的差异.一是通过容器化技术与OpenvSwitch技术结合，设计区块链模拟仿真平台，实现以低资源消耗模拟真实的数据中心网络.二是基于该仿真平台，搭建了Fat-Tree、BCu b e、T o r u s 和Hypercube拓扑结构的区块链网络，部署矿工节点，评估不同底层网络拓扑结构下区块链平均交易时延和交易吞吐率的性能差异.评估结果显示，使用平台模拟数据中心受控网络环境，在矿工节点数均为8 的情况下，Torus网络结构的交易时延和交易吞吐率方面的表现优于其他三种拓扑结构.关键词：区块链；网络模拟；网络仿真；容器技术中图分类号：TP311.13文献标志码：A文章编号：2 0 95-42 7 1(2 0 2 4)0 2-0 17 7-10Performance research of blockchain system orientedto data center network structureCHEN Hai-hao,YIN Xiang-yu,CHEN Xil*,HUANG Xiao-ming?,LIN MaoYAO Xian-hong*,GE Shu,LAN Li-sha3(1.School of Computer Science and Engineering,Southwest Minzu University,Chengdu 610041,China;2.Chengdu RongweiSoftware Service Co.,Ltd,Chengdu 610095,China;3.Maipu Communication Technology Co.,Ltd,Chengdu 610047,China;4.Colasoft Co.,Ltd,Chengdu 610095,China;5.Sichuan Provincial Technology Market Association,Chengdu 610095,China)Abstract:As a second-generation blockchain technology,Ethereum introduces the smart contract mechanism,leading to the e-mergence of numerous decentralized applications(DApps)that are widely applied in various industries.This paper focused ontypical data center networks(DCNs),studying the differences in the performance of blockchain operations under different un-derlying network topologies.To achieve low-resource consumption simulation of real data center networks,containerization tech-nology was combined with Open vSwitch technology,and a blockchain simulation and emulation platform was designed.Based onthis simulation platform,Fat-Tree,BCube,Torus,and Hypercube topology blockchain networks were built,miners nodes were de-ployed,and the performance differences in average transaction latency and throughput under different underlying network topolo-gies were evaluated.The evaluation results showed that using the platform to simulate a contrlled network environment in a data收稿日期：2 0 2 3-0 9-14通信作者：陈曦（198 5-），男，副教授，博士，研究方向：计算机网络和机器学习.E-mail：c x s w u n.e d u.c n基金项目：国家民委中青年人才培养计划项目（2 0 2 2 117）；四川省教育信息技术研究“十四五”规划课题（DSJ2022037）；西南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金资助（2 0 2 2 NYXXS061）；西南民族大学教育教学研究与改革重点项目(2021ZD47)178第50 卷西南民族大自然科学版）center,when the number of miner nodes was 8,the Torus network structure outperformed the other three topologies in terms oftransaction latency and throughput.Keywords:blockchain;network emulation;network simulation;container区块链1-4技术的发展与产业界的发展是紧密相关的，各种加密货币与分布式应用的兴起推动着区块链技术的发展.区块链技术被广泛应用于数字货币、供应链管理、版权保护、金融服务以及医疗保健等商业场景.在商业区块链系统通常部署于受控的数据中心环境下，数据中心的底层网络拓扑结构对网络的时延、带宽、丢包率以及稳定性等网络性能产生影响.对等（P2P,peer-to-peer）网络是区块链网络层的基础通信方式，在区块链网络中的每个节点地位对等，既提供数据也处理数据.数据中心的底层网络拓扑结构影响P2P网络的传播时延、交易吞吐率和稳定性等性能,进而影响区块链系统的交易时延以及交易吞吐率.在区块链网络模拟仿真软件方面，目前的开源区块链仿真模拟平台项目众多，但存在着不保真以及应用场景局限等问题.在区块链拓扑结构方面，目前有大量针对公开区块链拓扑结构的研究，但对受控环境下的许可区块链的拓扑结构研究还有所欠缺.针对上述问题，本文将采用轻量级开源容器引擎技术Docker5结合OVS（O p e n v Sw i t c h）6 等技术，开发具有高保真、易编程和可以快速灵活部署特性的区块链模拟仿真平台.该平台具有真实模拟复杂网络、快速搭建区块链、自动化测试等能力，可以使区块链研究人员专注于研究本身，不必花费额外时间精力在研究环境的搭建上.基于典型网络拓扑结构和数据中心网络拓扑结构，如BCube7、Fa t-T r e e 8、Hy p e r-cube9和Torus10等,在本平台模拟的数据中心网络上部署区块链，研究底层网络拓扑结构对区块链性能的影响.1相关研究目前，在公开区块链的拓扑结构方面已经有了大量研究，但对许可区块链的拓扑结构研究还有所欠缺.B.Toshniwal等人1使用MATLAB进行模拟实验，研究不同拓扑结构下的P2P网络性能，但并未对其他区块链技术进行研究.在区块链仿真模拟方面，现如今已有大量相关研究，也有很多开源平台。ArthurGervais等人12】用C+和ns3构建了Bitcoin模拟器，VIBES13是基于Scala实现的大规模比特币模拟器.eVIBES14是受VIBES启发的以太坊模拟器.ArthurGervais等人构建的模拟器聚焦于PoW机制研究，而VIBES和eVIBES旨在模拟大规模区块链网络，没有运行真实的网络协议.上述区块链仿真模拟平台主要模拟区块链中的特定功能，例如矿工行为、网络攻击和数据异构等，而对于其他功能的实现则尽可能地简化，因此无法模拟在真实数据中心网络环境下的区块链系统.S.Gill15等人提出容器化的区块链仿真模拟平台，通过Docker+Mininet的技术路线构建区块链网络.在技术路线选择方面,Docker+OVS与Docker+Mininet相比，具有更贴近实际生产环境、网络隔离性更好、易管理、扩展性更好等优势，更适合面向数据中心的区块链模拟仿真2区块链模拟仿真平台2.1平台架构区块链模拟仿真平台由基础设施层、网络拓扑层、区块链部署层和用户界面层四部分组成，系统架构图如图1所示.基础设施层：Docker支持自定义构建镜像，平台的镜像仓库可以为虚拟化区块链网络提供丰富的区块链镜像资源.在平台提供的计算、内存和存储资源上，部署大量容器化的区块链节点.区块链拓扑层：平台通过Docker+OvS的技术路线，将容器化节点连接搭建结构各异的网络拓扑，模拟复杂的数据中心网络，为模拟数据中心部署区块链网络提供真实可靠的底层网络结构支持.179陈海浩网络结构的区块链系统性能研究第2 期webTerminial主页面命令行工具BiockbenchHyperledgerCaltiper用户界面层Bitcoin networkEthereumnetworkFabric network区块链部馨暖FatreeBcube网络拓扑展OvSdockerOpenvswitch计算资源内存资源存储资源EthereumFabricBitcoin资源支撑技术支持镜像支撑燕础设施腰图1系统架构图Fig.1System architecture diagram区块链部署层：通过平台镜像仓库提供的区块链节点镜像资源，在模拟的数据中心底层网络中部署自定义的区块链用户界面层：通过Html、Ja v a Sc r i p t、j Q u e r y 和CSS等成熟的前端技术，提供平台的可视化页面.通过XServer图形接口服务器，为区块链节点内部应用提供UI显示.利用Matplotlib将Hyperledger Caliper、Bl o c k-bench等区块链性能测试工具返回的结果进行可视化绘制.2.2核心功能1）区块链网络设计功能平台支持手动拖拽生成和典型拓扑模板两种方式生成拓扑结构，通过如图2 所示的代码逻辑，将用户设计的拓扑结构生成JSON描述文件并煊染至前端画布.典型拓扑模板功能如图3所示，用户根据提供的模板填写参数即可快速生成典型拓扑结构，如Fat-Tree、BCu b e、D Ce l l、Hy p e r c u b e 等.手动拖拽生成拓扑功能如图4所示，用户可根据自身需求设计所需拓扑结构.typicalTopo.pynetElement.pytypicalTopo.fat_tree(k)clssshostoclasslinkoclass switchotypicalTopo.b_cube(k)class routeroclass serverotopoDesign.js/典型拓扑生成typicalTopootypicalTopoDesign.py1I 生成拓扑结构./染拓扑结构importtypicalTopo!topoJsonorenderTopooimportnetElementi-4/手动设计拓扑createTopoodef typicalTopoGen(typical_type,data):根据参数实例化typicalTopo调用typicalTopo内置方法获取节点连接关系信息调用netElement内置方法实例化节点和链路信息返回拓扑结构描述后端前端图2拓扑设计代码逻辑Fig.2Topology design code logic180第50 卷西南民族大学自然科学版）Sene选择典型拓扑Fat-Treek节点数选择区块链Ethereum共识协议PoWv私有链DGasLimit难度值取消确认serve图3拓扑设计功能：典型拓扑模板Fig.3Topology design function:typical topology templatesServerRouter图4拓扑设计功能：手动拖拽设计Fig.4Topology design function:manual drag-and-drop design2）区块链网络部署功能平台通过网络部署模块将JSON描述文件解析为可执行的Shell脚本，并部署到物理宿主机中.根据Shell脚本，网络部署模块从Docker镜像仓库中生成对应的容器，并通过OpenvSwitch项目提供的ovs-docker辅助脚本将容器相连形成网络.上述功能生成的部分Shell脚本如图5所示.1#生成各节点容器2 docker run-itd-name m1-net=none-hostnamem1-rm-privileged=true-eDISPLAY=$DISPLAYnet-caliper3#利用oVS网桥连接端系统，并为其配置IP地址4ovs-dockeradd-ports13ethom1-ipaddress=192.168.0.1/24图5风网络部署的Shell脚本Fig.5Shell scripts of network deployment此外，平台可以对部署完毕的区块链网络进行细粒度的性能配置.针对链路性能，通过iprouter2工具包的tc工具和OVS下发流表，平台提供网元间链路时延控制、带宽和丢包率等链路性能进行配置.针对网元性能平台通过Docker命令可以控制容器的cpu、mem和disk资源，通过Linux内核功能中的cgroups可以进一步限制区块链节点进程的cpu、me m和网络资源占用，从而模拟各区块链节点的资源需求情况.3）网络监控功能平台可以采集当前网络运行状态的各项数据，用于后续对网络性能的分析.通过结合sar命令与dock-er stats命令，平台对容器的cpu利用率、内存利用率、网络和磁盘的输入/输出量等网络资源数据进行监控，对指定网卡每秒收发的数据包和字节数进行监181陈海浩锯中心网终结构的区块链系统性能研究第2 期控，上述功能如图6 所示4）区块链性能测试功能区块链网络部署完毕后，用户可以通过性能测试配置窗口快速完成Benchmark参数设置.平台将会根据用户填写参数自动化设置Benchmark配置文件和生成测试脚本，调用相关测试平台进行性能测试.平台对保存的测试结果文件进行提取，通过matplotlib将测试结果进行可视化输出，上述功能如图7 所示.网络资源监控网络性能监控CPU利用率ME林利用率每秒收到的数据包（rxpck)）每秒发送的数据包（txDck）MEM1503755002.03.700.503653.500.501.003551210501503453:401:002000.60.0250151001237-15:0:17520.000:2550561752.0timestimes网络接口收发数摄量NETCI/O）磁盘读取和写入数据量BLOCK（O)每秒收到的字节数（xKB）每秒发送的字节数（txKB）0.0200.120.0812DD0:019100.05O.018罗90050.100.017040150.01402O.1022000255.07520812.515:017520:00025.020:012515017520.01212timestimes.取消确认取消确认图6网络资源与性能监控Fig.6Network resource and performance monitoring测试结果ToursBenchmark配置40Benchmark选择HyperledgerCalipery初始账户数30每秒初始化账户数交易总数20每秒交易请求发送数查询行为总数10每秒查询请求发送数取消确认01020304050测试轮次关闭图7区块链性能测试功能Fig.7Blockchain performance testing functionality2.3区块链模拟区块链技术实质上是一个交易数据库，在网络中的多台电脑间保持共享与更新.每当区块链网络中生成一组新的交易，就会被打包成一个新的“区块”并接人链状数据结构后端，由此得名“区块链”.区块链的链状数据结构具有强关联性，加上网络中的众多节点182第50 卷西南民族大#自然科学版）都包含一份完整数据.因此，攻击者篡改数据的成功率极低而成本极高，这保证了区块链具有很高的安全性.平台将区块链程序和一些必要的脚本与程序一同封装为Docker镜像，通过平台控制启动为各类型区块链节点，连接成为区块链私有网络.基于Docker镜像的高自定义性，平台可以支持多种区块链技术的模拟仿真2.4DApp开发DApp完全依赖区块链技术，使用智能合约实现业务模型，部署在去中心化P2P网络，没有中心化服务器或中介.区块链模拟仿真平台集成了Remix项目开源的Docker镜像,通过容器技术将RemixIDE与区块链节点的RPC接口映射到宿主机端口，可以支持DApp智能合约的开发与调试，该功能架构如图8 所示.平台提供的区块链网络设计部署功能，可以快速便捷地为开发者提供DApp开发与测试所需的区块链环境.平台通过区块链网络的模拟仿真，支持开发者对智能合约进行调试与性能评估，降低DApp开发的门槛.平台提供一站式的DApp开发测试环境，降低研发门槛，促进区块链技术的开发与应用，上述功能如图9所示.3实验与结果分析3.1实验环境实验环境部署于CPU规格为IntelIceLake16vCPUs，内存为32 GB的云服务器.云服务器系统版本为Ubuntu20.04 server 64bit,Docker镜像版本为Ubuntu18.04.运行在镜像内的软件规格如下，Geth（G o Et h e r e u m）版本为vl.10.18，运行的挖矿协议为Geth默认的PoW（Pr o o f o f W o r k）协议.HyperledgerCaliper版本为v0.5.3.2以太坊区块链以太坊网络是指由运行了以太坊客户端程序的节点通过P2P协议连接组成的网络，有公共网络和私有网络之分.以太坊公共网络是指每个人都能通过互联网连接的以太坊网络，即以太坊主网或各个以太坊测试网络.私有网络是指节点不连接到公共网络的以太坊网络，可以用于DApp测试和构建联盟网络.本论文实验在以太坊私有网络环境下进行.以太坊是以智能合约作为基础的可编程非许可链开源平台项目，本论文基于区块链模拟仿真平台搭建的私有链，通过以太坊虚拟机（EthereumVirtualMachine,EVM)执行智能合约进行基准性能测试.3.3Hyperledger CaliperHyperledger是Linux基金会于2 0 15年发起的一个开源区块链项目，HyperledgerCaliper是该项目下的一个区块链性能基准框架，支持Ethereum、Hy-perledgerFabric和FISCOBCOS等区块链技术.HyperledgerCaliper提供多种性能指标的采集显示，如成功率、失败率、发送速率和交易时延等，本文主要关注区块链的交易时延与交易吞吐率性能指标.交易时延是指交易发送和被确认之间的时间间隔，在Caliper中，交易时延表示如下：Latency=Confirmation time-Submit time.(1)而交易吞吐率是指区块链单位时间内可以处理的交易数量，在Caliper中,交易吞吐率表示如下：Committed txsThroughput(2)TimeinSeconds3.4区块链网络搭建区块链系统对网络延迟和交易吞吐率要求较高，所以要求数据中心网络拓扑结构具备高聚合带宽、低延迟、高可扩展性和高可靠性等特点.因此，本文选用Fat-Tree、Hy p e r c u b e、T o r u s 和BCube这四种数据中心拓扑结构作为实验的底层网络拓扑结构.测试搭建的网络结构均有9个Ubuntu主机容器，所有主机均部署Geth程序并启动为以太坊全节点，其中的8 个主机作为矿工节点，每个矿工节点启动1个线程进行挖矿，剩余1个节点启动bootnode程序作为boot节点用于以太坊节点相互发现，同时也作为全节点接人基准测试程序，用于测试程序的交易发送.上述网络拓扑结构如图10 所示.本文实验选用的底层网络拓扑结构为BCube、Fat-Tree、H y p e r c u b e 和Torus.BCube和Fat-Tree是典型的数据中心网络拓扑结构.Hypercube是一种3D结构网络，该拓扑有路由直径短的特点，可以减少交换机使用数量,从而降低建设网络的成本.Torus是环的高度结构化网络，常用于高性能计算领域.183陈海浩网络结构的区块链系统性能研究第2 期-P8080:80-P8545:8545容器arernix-ide宿主机浏览器区块链网络图：DApp开发模块框架Fig.83 DApp development module frameworkRemix-EthereumIDE-ChromiumRemix-EthereumIDE1.RemixIDE容器端口映射Clocathost:8080/#optimize-false&runs=200&evmVersionnull&version=soljson-vo0.8.4+commit.c7e474f2js口DEPLOY&RUNTRANSACTIONSHomexENVRONMENTQuicklinksGuidie formugratinig theoldFleSystemWebi3.ProviderMigritiontoosCustom(1007)networkACCOUNTODawnioadatFlesasabickupapBastann.flestrombackupopOx46D02a7F(904625697GASLMIT30000002.本地私有链网络RPC端口映射VALU0WeiFeaturedPluginsCONTRACTBallot=contracts/3_BallotsolSOLIDITYOPTIMISMLEARNETHSOLHINTLINTER:SOURCIFYDeployNfYPubushtoiPFsFileResourcesDNevFileCFDocutmentatianBOpeyFilesAtAddrousLeedepetrathonAdidreeEaConnectsoLocathostFeabatngmsbuteTransactionsrecordedDeployed CworkQSearchwhtransactonhashtadloressrepix(runreix.helptyTormoreinto)Currentlyvouhaveno contract图9DApp开发功能Fig.9DApp development functionality51$2$35455$6S9$10511512513$14515$16517518519520m1m2m3m4msm6m7m8m1m2m3m4m5m6m7m8(a)Fat-Tree(b)BCubem2m2m3$3$3m1m3m1S154m458s954m8m4m657$558m7m7m5m8m6m5(c)Torus(d)Hypercube图10拓扑结构图Fig.10Network topology184第50 卷西南民族大自然科学版3.5智能合约实验中的性能测试基于开源项目HyperledgerCaliper Benchmarks中的Simple智能合约，该智能合约用于测试后端DLT(Distributed Ledger Technology）性能，定义了3个函数：Open、Q u e r y 和Transfer.Open函数用于测试账户初始化性能，为创建的测试账户赋予初始余额.Query函数可以查询指定账户存储的值，用于测试区块链的查询性能.Transfer函数实现两个账户转移账户余额，用于测试区块链的交易性能.智能合约的伪代码如图11所示.Open(addr,amount)(/输入：账户地址，交易数额accountsaddr=amount;Query(addr)returns amount(/输入：账户地址/输出：当前账户余额amount=accountsaddr;Transfer(addr_from,addr_to,amount)/输入：交易来源账户，交易目标账户require(balancesmsg.sender=amount);accountsaddr_from-=amount;accountsaddr_to+=amount;图11智能合约代码片段Fig.11A code snippet of smart contracts我们通过配置基准测试程序的配置文件设置实验中的总交易发起次数和每秒发送交易数.四个网络在相同的环境下进行实验,Open函数和Transfer函数都以每秒10 0 的发送速率提交10 0 0 次，由此得出平均时延和交易吞吐率.Query函数以每秒2 0 0 的速率提交10 0 0 次.3.6结果分析实验一共分为10 组，每组通过模拟仿真平台执行5次性能测试，4种拓扑结构各执行1次实验，最后统计4种拓扑结构的10 组实验数据平均值.图12 和图13分别反映了Open账户初始化事务和Transfer交易事务的平均交易时延与交易吞吐率情况.从图12（a）和图13(a）可以看出，BCube拓扑结构在账户初始化事务性能测试中的表现大幅落后于其他3种拓扑结构,而Torus拓扑结构在4种拓扑结构中表现最优.在交易事务性能测试中,Fat-Tree、BCu b e和Hypercube拓扑结构的交易吞吐率结果表现接近，由表1可知均为7 1TPS左右.而Tour拓扑结构在交易性能测试中的交易时延和交易吞吐率均为最优,在交易吞吐率的数据可以达到7 5.8 7 TPS.从图12 和图13可以看出，不管是在账户初始化事务还是账户交易事务性能测试项下，Torus拓扑结构在四种拓扑结构中的平均交易时延和交易吞吐率表现最佳,BCube拓扑结构在账户初始化性能测试中明显落后于其他3种拓扑结构.opentransfer14.5BCube6.0Fat-Tree14.0Hypercube5.5Torus13.55.0(S)13.04.512.54.012.03.511.5BCube3.0Fat-Tree11.0Hypercube2.5Torus0246802468实验次数实验次数（a）O p e n 账户初始化事务(b)Transfer交易事务图12平均交易时延Fig.12Average transaction latency185陈海浩据中八网络结构的区块链系统性能研究第2 期opentransfer46BCubeFat-Tree8044HypercubeTorus4278BCube()率(S1)40Fat-Tree76HypercubeTorus38743672340246802468实验次数实验次数（a）O p e n 账户初始化事务(b）T r a n s f e r 交易事务图13交易吞吐率Fig.13Transaction Per Second表1实验数据Table1Experimental data拓扑结构实验项目Fat-TreeBCubeTorusHypercubeOpen平均交易时延/s11.6014.3810.8812.45Open交易吞吐率/TPS44.8034.0446.8442.60Transfer平均交易时延/s6.206.375.066.56Transfer交易吞吐率/TPS71.7771.5175.8770.454总结本论文提出了基于Docker+OvS的区块链模拟仿真平台，该平台可为教学、科研与应用开发提供便捷快速的区块链部署操作，有效降低区块链技术的学习和应用门槛.实验表明，使用该平台模拟数据中心受控网络环境，在矿工节点数均为8 的情况下，Torus拓扑结构的平均交易时延和交易吞吐率表现最好，BCube拓扑结构在账户初始化性能中的性能表现最差.整体表现如下，Torus拓扑结构综合性能最优，其次是Fat-Tree和Hypercube拓扑结构，BCube拓扑结构综合表现最差.网络拓扑结构优化是提升区块链系统性能的重要途径之一，该研究可为企业在部署区块链产品时对数据中心拓扑结构的选择提供参考依据，合理的网络结构可降低区块链系统的通信开销，提高资源利用率.我们计划在未来基于本论文提出的区块链模拟仿真平台，结合各数据中心拓扑结构下的区块链性能数据，开展对于数据中心网络下区块链节点优化部署的相关研究.参考文献1郭上铜,王瑞锦，张凤荔.区块链技术原理与应用综述J.计算机科学,2 0 2 1,48(0 2)：2 7 1-2 8 1.2曾诗钦，霍如，黄韬，等。区块链技术研究综述：原理、进展与应用J.通信学报,2 0 2 0,41(0 1)：134-151.3 KHAN S N,LOUKIL F,CHEDIRA-CUEGAN C,et al.Blockchainsmart contracts:Applications,challenges,and future trends J.Peer-to-Peer Networking and Applications,2021,14(05):2901-2925.4 BELCHIOR R,VASCONCELOS A,GUERREIRO,et al.A survey onblockchain interoperability:Past,present,and future trends J.ACMComputing Surveys,2021,54(04):1-41.5 VOLPE G,MANCINI A M,FANTI M P.An architecture combining（责186第50 卷西南民族大自然科学版）blockchain,docker and cloud storage for improving digital processes incloud manufacturingJJ.IEEE Access,2022,10(10):2169-3536.6 MONTAZEROLGHAEM A.Software-Defined internet of 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