Nikola BOŽI ´C0巴黎索邦大学博士学位论文0专业0计算机科学0巴黎信息、电信和电子学院博士学院0由...介绍0以获得0巴黎索邦大学博士学位0论文题目：区块链技术及其在安全虚拟化基础设施控制中的应用02019年10月18日支持0在由以下成员组成的评审委员会面前：0M. Al Agha KHALDOUN 评审教授 - 巴黎-苏德大学 Mme. Michele NOGUEIRA 评审 副教授 -巴西巴拉那联邦大学 Mme. Thi-Mai-Trang NGUYEN 考官 讲师 - 巴黎索邦大学 M. Stefano SECCI 考官 教授 -Cnam, Cedric Mme. Virginie DOTTA 指导 主任 虚拟基础设施 - SQUAD M. Guy PUJOLLE 导师 教授 -巴黎索邦大学Blockchain is a technology making the shared registry concept from distributed systems areality for a number of application domains, from the cryptocurrency one to potentially anyindustrial system requiring decentralized, robust, trusted and automated decision making in amulti-stakeholder situation. Nevertheless, the actual advantages in using blockchain insteadof any other traditional solution (such as centralized databases) are not completely understoodto date, or at least there is a strong need for a vademecum guiding designers toward the rightdecision about when to adopt blockchain or not, which kind of blockchain better meets use-case requirements, and how to use it. At first, we aim at providing the community with such avademecum, while giving a general presentation of blockchain that goes beyond its usage inBitcoin and surveying a selection of the vast literature that emerged in the last few years. Wedraw the key requirements and their evolution when passing from permissionless to permis-sioned blockchains, presenting the differences between proposed and experimented consensusmechanisms, and describing existing blockchain platforms. Furthermore, we present the B-VMOA blockchain to secure virtual machine orchestration operations for cloud computingand network functions virtualization systems applying the proposed vademecum logic. Usingtutorial examples, we describe our design choices and draw implementation plans. We furtherdevelop the vademecum logic applied to cloud orchestration and how it can lead to preciseplatform specifications. We capture the key system operations and complex interactions be-tween them. We focus on the last release of Hyperledger Fabric platform as a way to developB-VMOA system. Besides, Hyperledger Fabric optimizes conceived B-VMOA network per-formance, security, and scalability by way of workload separation across: (i) transaction exe-cution and validation peers, and (ii) transaction ordering nodes. We study and use a distributedexecute-order-validate architecture which differentiates our conceived B-VMOA system fromlegacy distributed systems that follow a traditional state-machine replication architecture. Weparameterize and validate our model with data collected from a realistic testbed, presenting anempirical study to characterize system performance and identify potential performance bot-tlenecks. Furthermore, we present the tools we used, the network setup and the discussionon empirical observations from the data collection. We examine the impact of various con-figurable parameters to conduct an in-dept study of core components and benchmark perfor-mance for common usage patterns. Namely, B-VMOA is meant to be run within data center.Different data center interconnection topologies scale differently due to communication pro-tocols. Enormous challenges appear to efficiently design the network interconnections so that3040基础设施的部署和维护成本效益高。我们分析了几种DCN拓扑的结构特性，并对这些网络架构进行了比较，旨在降低B-VMOA的开销。通过我们的分析，我们推荐超立方拓扑作为解决方案，以解决B-VMOA控制平面中由于八卦传播协议引起的性能瓶颈，并估计性能改进。5670目录01介绍1902区块链概述25 2.1分布式账本技术（DLT）2702.1.1术语2802.1.2区块链结构和特性3002.1.2.1数据结构3002.1.2.2区块链特性3102.1.3无许可和有许可的参与模式3202.1.4相关工作3302.2交易的过程3402.2.1交易创建3502.2.1.1UTXO模型3602.2.1.2账户余额模型3702.2.1.3UTXO +3702.2.1.4键值模型3802.2.2交易传播3902.2.3交易（区块）验证4002.2.4交易（区块）确认4102.2.5区块链参与者及其角色4202.2.5.1交易方4202.2.5.2领导节点4202.2.5.3验证节点4302.3共识机制4302.3.1分布式系统和区块链中的共识4402.3.2共识算法4502.3.2.1共识证明4502.3.2.2BFT和基于混合BFT的算法4602.3.3区块链共识协议比较463.4.2.3Hyperledger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .633.4.2.4Corda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .673.4.2.5Tendermint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .683.4.2.6Chain Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .693.4.2.7Quorum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .713.4.3Frameworks discussion and related works . . . . . . . . . . . . . . .733.4.4Architectural limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .753.4.5Blockchain as a Service. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .773.4.6Use-case applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .783.4.6.1Decentralized Internet storage . . . . . . . . . . . . . . . .783.4.6.2Industrial IoT-based supply-chain . . . . . . . . . . . . . .783.5Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .794Blockchain VMOA814.1State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .824.2Blockchain application to cloud orchestration . . . . . . . . . . . . . . . . .834.3VMOA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .844.3.1Centralized VMOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .854.3.2Blockchain VMOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .864.4B-VMOA transaction management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .884.4.1Block construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .894.4.2Blockchain operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .904.4.3The dual transaction abstraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .914.5Numerical example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .924.6VMOA Proof-of-Concept design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .944.6.1B-VMOA design on Hyperledger Fabric. . . . . . . . . . . . . . .944.6.1.1Key concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .954.6.1.2B-VMOA Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .954.6.1.3Ledger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .974.6.1.4Transaction Flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .984.6.1.5Ordering service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.6.1.6Membership Service Provider . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.6.2B-VMOA model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10108目录03区块链Vadamecum 49 3.1介绍4903.2何时使用区块链5103选择使用哪种区块链5403.4如何使用区块链5703.4.1区块链框架的多层抽象5903.4.2可用的主要区块链平台6003.4.2.1比特币区块链6003.4.2.2以太坊区块链61TABLE OF CONTENTS94.7Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025Empirical Analysis for B-VMOA1055.1Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.2Performance Evaluation Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065.3B-VMOA system under test. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065.4Test harness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.6Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11705.3.1 私有云设置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10805.5 实验结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11006 DCN拓扑对B-VMOA控制平面的影响 119 6.1 引言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 11906.2 流言协议。12006.3 数据中心网络拓扑。121 6.3.1 胖树拓扑。12206.3.2 DCell拓扑。12206.3.3 超立方体拓扑。12306.4 拓扑之间的比较。12406.4.1 结构特性的定量分析。124 6.4.1.1 胖树拓扑。12506.4.1.2 DCell拓扑。12606.4.1.3 超立方体拓扑。12706.4.2 对拓扑选择的讨论。12706.5 结论。12907 结论1330附录 137 .1 密码学。1390.2 关于共识的离题讨论。139 .2.1 共识协议属性。1390.2.2 处理异步通信。1410.2.3 处理数据一致性和共识最终性。1410.2.4 整合故障条件。1420.2.5 股权证明共识。143 .2.5.1 工作量证明。1430.2.5.2 股权证明和虚拟挖矿替代方案。1450.2.6 BFT算法。1470.2.7 混合BFT算法。1480.2.8 共识机制及其演变总结。149010 目录110图表清单02.1 DLT演变：从传统分类账到区块链。2602.2 区块链结构的表示。3102.3 Merkle哈希树过程示例：重复（哈希）交易以橙色标记。3102.4交易过程。一旦创建了交易，交易发送方对其进行签名。在领先节点创建区块时进行验证检查。交易可以在传输到验证节点之前或之后收集在一个区块中。然后验证、传播和确认交易的区块。3402.5 比特币中基于UTXO的转账示例。3603.1何时使用区块链，以及哪种类型，而不是采用传统数据库系统。红色圆圈表示不同区块链用例的关键方面之间的权衡点。红色箭头表示优先考虑一个方面而不是另一个方面的后果，而黑色箭头报告了所有问题的答案-按顺序-对于任何对区块链技术感兴趣的人。‘tps’：每秒交易数。5203.3区块链采用可以通过（i）构建自己的框架或（ii）利用可以是开源和/或由云服务提供的现有平台来实现。在这里，列出了与三种区块链参与模式相关的主要区块链平台。5803.4 区块链框架的抽象作为多层系统。5904.1 VMOA认证协议。8504.2 分布式虚拟机编排器认证器（VMOA）。8704.3 B-VMOA交易顺序图。8704.4 3块VMOA区块链结构示例。9004.5 分配和取消分配指令对应的交易表示。916.10 Number of switches and B-VMOA hosts.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1311Phases of the digital signature protocol: (i) a public/private key pair is created– the public key can be recovered from the private one while the viceversa isnot possible, (ii) data are signed – the signature is the result of encoding withthe sender’s private key the hashed data – and transferred. Once received (iii)the receiver decode data by the usage of the sender’s public key and addition-ally verifies its authenticity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140012 图表列表04.6 5块VMOA区块链示例。'A'表示实际资源，而'T'表示交易者双重资源。9304.7 HyperledgerFabric网络示例，具有两个'信任域'，A和B，以及排序服务。信任域A包括：（i）三个背书节点，其中两个配置为锚定节点，（ii）一个客户端节点。信任域B包括：（i）两个背书节点，其中一个配置为锚定节点，（ii）一个客户端节点。每个背书节点也是提交节点，因此具有分类账副本。为了能够独立执行交易，每个背书节点都在本地安装了链码。9604.8 Hyperledger Fabric交易流。9804.9 B-VMOA节点。10205.1 性能评估设置。10705.2 实验设置。10705.3 实验B-VMOA设置。10905.4 不同交易阶段的影响。11005.5 资源分配对三阶段交易流的影响。11205.6 读工作负载对资源分配的影响。11205.7 资源分配对CSCC、交易执行、分类账更新和状态提交的影响。11305.8 区块大小和交易到达率对吞吐量的影响。11305.9 区块大小和交易到达率对交易延迟的影响。11405.10 分类账数据库对开放、查询和调用交易吞吐量的影响。115 5.11分类账数据库对开放、查询和调用交易延迟的影响。115 5.12使用Solo和Raft排序服务的交易吞吐量。11606.1 脂肪树（Clos）架构（k = 4）。12206.2 具有五个单元的DCell拓扑。12306.3 超立方体拓扑。12406.4 总链接数。12806.5 总链接数。12806.6 具有100台服务器以下的数据中心的心跳次数。12906.7 具有100台以上服务器的数据中心的心跳次数。12906.8 拓扑韧性。13006.9 平均距离。130LIST OF FIGURES132Evolutionary route of consensus protocols in five classes from pre-blockchainto post-blockchain protocols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14914LIST OF FIGURESList of Tables2.1Blockchains data model comparison. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .382.2Blockchains propagation mechanism comparison. . . . . . . . . . . . . . . .402.3Blockchain peers acting as ‘transacting parties’, ‘leaders’ and ‘validators’ inthe different platforms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .432.4Summary about consensus mechanisms comparative analysis . . . . . . . . .453.1Reading list on blockchain application domains . . . . . . . . . . . . . . . .503.2Classification of frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .583.3Architectural limitations of blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .763.4Blockchain as a Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .774.1Memory resource asset management with B-VMOA – example.. . . . . . .945.1Experimental configuration unless stated otherwise. . . . . . . . . . . . . . . 1085.2Experiment configuration: The Impact of Block Size and Transaction ArrivalRate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.1The comparison between (i) Fat-tree (ii) DCell (iii) Hypercube network topolo-gies where n is the number of B-VMOA hosts, and k denotes the number oflayers in Fat-tree and DCell respectively. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1251516LIST OF TABLESLIST OF TABLES1718LIST OF TABLESChapter1IntroductionAccording to National Institute of Standards and Technology (NIST) [1], “Blockchains are im-mutable digital ledger systems implemented in a distributed fashion (i.e., without a central repository)and usually without a central authority.” Distribute stands for the fact that each peer maintains a copyof the ledger. Immutable stands for the fact that once appended into the ledger, the transactions areprotected from any sort of tampering and falsification except where the majority of the network’s effortare devoted to change the registry. Hence it makes data more accessible and manageable by differ-ent network participants rather then a centralized entity. Transactions are ordered and grouped into“blocks” which captures several transactions per block while respecting a given block size limit. Even-tually peers synchronize to an exact copy of the blockchain throughout the network. The blockchainupdating procedure needs a consensus, i.e., an agreement among the network peers. Consensus in thenetwork refers to the process of achieving agreement among the network participants as to the correctstate of data on the system. Consensus leads to all nodes sharing the exact same data. Therefore aconsensus algorithm (i) ensures that the data on the ledger is the same for all network nodes, and (ii)prevents malicious actors from manipulating the data. The consensus procedure varies with differentblockchain implementations. While the Bitcoin blockchain [2] uses a PoW-based consensus mecha-nism [3], other blockchains and distributed ledgers are deploying a variety of consensus algorithmsbelonging to two main classes: (i) Proof-of-X-based algorithms and (ii) Byzantine Fault Tolerant al-gorithms. Respecting the consensus imposed by blockchain network, a new block of transactions isappended with the hash of the previous block committed on the ledger, thus forming a hash chain ofblocks. This ordered back-linked chain of blocks by way of hashing gives it the name blockchain.Therefore, a blockchain network is a distributed transaction system where all the peers share informa-tion in a decentralized, trusted and secure manner.190近年来，我们见证了区块链如何改变数字资产的工作方式，作为金融交易的媒介，控制额外单位的创建，以及200验证资产转移[4]。加密货币使用去中心化控制，而不是集中式数字货币和中央银行系统[5]。因此，比特币等加密货币是在区块链网络上运行的应用程序，允许各方更快地结算交易，从而加快商品和服务的流动。在企业和企业中引入区块链网络开始了向新的突破性变革的转变，它将导致全新的商业模式以及现有商业模式的转变。技术发展的指数速度创造了组织必须拆解其价值链以获得竞争优势的必要性。区块链被广泛认为是所谓数字转型的一项有前途的技术。吸引不同利益相关者转向区块链的是利用智能合约自动化业务交易的能力[7]。智能合约是一组规则，通过网络上的不同过程（称为交易）创建和/或更改资产。交易是指一系列信息交换和相关工作（如数据状态更新），被视为满足请求和确保数据完整性的目的的单位。这些交易由一组利益相关者共同分享和验证，通过区块链。这样的智能合约有助于以自动化和可信赖的方式执行任何类型的流程。0基于以下标准，可以对区块链网络进行分类：（i）谁被允许提交交易，（ii）哪些对等方被允许排序交易（包括共识），（c）如何授权新客户/对等方加入网络。在公共或无需许可的区块链网络中，任何人都可以参与网络而无需特定身份。这些网络通常涉及本地加密货币或其他经济激励。著名的例子是比特币[2]和以太坊[8]。这些网络使用基于抽签的共识协议，如工作量证明（PoW）。随着许可区块链的引入，用户可以通过设置约束和自定义网络节点的行为来选择其采用。虽然使用经典区块链可以构建完全开放和去中心化的系统，但许可区块链只允许有限数量的用户有权验证交易。验证者构成了一组可以公开选举或由中央机构选择的节点。通过限制参与验证程序的参与者数量，可以通过使用适当的共识机制获得显著的可扩展性改进。此外，为了支持执行图灵完备代码，促进基于智能合约的分布式应用程序（'dapps'）的部署，对协议的更改（包括区块链数据和共识结构）是必要的。然而，由于完全许可的区块链与经典共享数据库有许多相似之处，因此在某些情况下，这种复杂的架构并非必不可少。0权限区块链网络由已知实体组成的联合体运营，成员被列入白名单，并受到严格的合同义务约束，以正确行为。新的对等方可以通过现有对等方的许可或通过网络管理员特权[9]添加，利用基于投票的共识协议，如实用拜占庭容错（PBFT）[10]，以改善网络性能，与公共区块链相比。在这些网络中并不固有需要加密货币。私有区块链网络是权限区块链在单个实体内运行的特殊情况。0在本论文中，我们从不同的角度研究了区块链技术。我们旨在为读者提供关于何时使用区块链、使用哪种解决方案以及如何使用它的全面教程，基于用例要求。我们的工作涉及关于区块链技术的综合信息集合。
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