许可型区块链的可扩展性改进与分析

⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 7（2021）283www.elsevier.com/locate/icte许可型区块链的可扩展性改进与分析斯瓦蒂山口M. Venkatesan国家技术学院，计算机科学与工程系，Mangalore，575025，卡纳塔克邦，印度接收日期：2021年3月3日;接收日期：2021年6月14日;接受日期：2021年8月2日2021年8月13日在线提供摘要通过比特币的应用，这项创新技术奇迹般地在市场上推出，影响了众多行业。比特币只不过是一种数字货币（加密货币），可用于代替法定货币进行交易，其底层基础设施称为区块链。区块链是一个开放的分类账，提供去中心化，透明性，不变性和保密性。区块链可以用于大规模的有益应用，如医疗保健，物流，供应链管理，物联网（IoT）等，大多数工业应用都依赖于许可的区块链。然而，许可区块链在某些方面失败，例如可扩展性和吞吐量。本文提出了一个系统，通过结合数据科学技术来解决许可区块链的可扩展性问题。所提出的解决方案的可扩展性分析是在具有可变数量的事务的超级账本结构框架中完成的，并导致可扩展性的改进。c2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：区块链;可扩展性;许可区块链;超级账本结构;数据科学1. 介绍对下一代产生重大影响的技术已经到来。它可以被纳入任何需要它的领域，但它不是大数据，人工智能或机器人技术。它是一种名为比特币的加密货币的基础技术。这项技术被称为区块链。例如，比特币[1]分散了在互联网上赚钱的问题。它利用算法来保证支付已经安全地从购买者转移到商家。比特币使用区块链作为一项重要的创新，通过分散的验证在交易所上提供trans-parency。在这里，系统利用区块链，它保持聚合开放数据库[2]。比特币包含在区块链中;交易所会删除所有关于它的数据比特币矿工验证并确认交易日期。假设有一个试图退化的交易;在这一点上，集线器将拒绝交易在区块链中继续进行。对于每个客户端，在最终用户中心上制作一个高级钱包。每个钱包都有一个唯一的地址，该地址被认为是系统∗ 通讯作者。电子邮件地址：nitk.edu.in（Swathi P.），venkisakthi@nitk.edu.in（M.Venkatesan）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2021.08.015枢纽考虑一种情况，一家健康保险机构正在提供保险赔偿，它需要保证所提供的现金明显用于临床原因[3]。这里是区块链的范围;区块链保证资金用于相同的原因;否则，如果在特定的时间范围内或引用的原因没有使用，则可以将给定的现金返还给担保人。通过这种方式，区块链保证了交易的透明度，并提供了重要的偏好，如交易过程的分散化，透明度，自治和用户的匿名性[4]。区块链的潜力超出了金融应用。区块链可以用于大量有价值的应用，如医疗服务，学术，银行营销等等。之前提到的加密货币都属于无许可区块链。无权限区块链也被称为公共或去中心化区块链。任何人都可以创建和访问区块链，任何人都可以在其中发布自执行合约（智能合约;将在2.1中解释）。 此外，任何人都可以100%透明地运行区块链节点。但组织需要一种完全不同类型的区块链，它可以保护他们的条款和政策。它应该只包含预先批准的节点。这种类型的区块链被称为许可区块链。2405-9595/2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。Swathi P.和M. VenkatesanICT Express 7（2021）283284许可区块链要求每个节点执行每笔交易，维护账本并运行共识（将在2.2中解释），这是一种容错机制。它不能支持具有保密合同的有效私人交易. Hyperledger Fabric是最好的区块链之一，可以为工业区块链提供模块化和安全的基础。超级账本结构通常使用实用的拜占庭容错（PBFT）共识算法。但一些因素阻碍了行业全面适应区块链。可伸缩性就是其中之一。可伸缩性表示系统处理不断增长的工作量并控制扩展的能力可扩展性将是组织遗愿清单中的一个要点Tien Tuan等人[5]提出了Blockbench，它评估了吞吐量、延迟、可扩展性和对内部故障的适应性。他们使用Blockbench对三个重要的私有区块链进行了广泛的评估：以太坊，Parity和Hyperledger Fabric。结果表明，这些框架仍然远离根除目前的数据库框架在传统的数据处理。此外，分配给区块链产品堆栈各层结构决策的三个框架在执行上存在缺陷A.Baliga等人[6]采用了一种测试策略，他们通过暴露Fabric来研究其吞吐量和延迟工作量的各种安排。通过设置专门为Fabric工作的较小规模的基准测试，作者调整了不同的事务和链码参数，并研究了它们如何影响延迟。L. Duboc等人[7]提出了一种绝对描述和检查产品框架适应性的结构。该系统将可扩展性视为多措施流线化问题，并捕获依赖连接。这项研究工作提出了一个上下文调查的结构和考试策略被应用到一个简单的框架，表明它是可以想象的，建立一个准确的，故意描绘的可扩展性，并利用该报告来分析替代框架计划的可扩展性的后效。K. Croman等人[8]研究了比特币中的基本和任意瓶颈如何限制其目前的分布式覆盖系统的能力，以帮助显着提高吞吐量和降低延迟。结果建议，区块大小和区块链的重新参数化应该被明显地视为实现高负载区块链约定的第一个增长。重大进展还需要对专门方法进行根本性的重新评估。这种方法可以为此类场景的规划空间Christian Gorenflo等人[9]重新构建了许可区块链框架Hyperledger Fabric，以将每秒的交易量从3，000增加到20，000。他们专注于超级账本Fabric中现有的执行瓶颈，并对决定计算和I/O开销的参数进行了更改。Wang et al. [10]证明了扩展许可的区块链应用程序以有效地为许多客户提供服务的困难。它描述了Blockbench，评估一个用于分解私有区块链的结构。作者为不同阶段的相关性提供了一种合理的方法，并为进一步理解其他框架提供了依据。调查指出，需要提高组织处理更多事务或工作量的能力本文提出了一个描述和分解超级账本结构可扩展性的一般结构。该系统致力于确定本能，模糊性和不规则性，这些都是利用处理的基础。研究贡献是：实用的拜占庭容错（PBFT）共识，具有高吞吐量。PBFT过程的可扩展模型。分析具有大量交易和大量对等点的共识过程。更好的交易确认时间超过30 000。建议的工作利用Apache-spark来处理更多的事务，从而提高可扩展性。所提出的解决方案指令的使用将可扩展性提高了10倍，比现有的可扩展性高，即从3000到30000个事务的改进。在解决方案指令中引入并行性增加了在系统中添加更多事务的机会，从而减少了开销。共识机制可以利用这个机会来处理更多的事务。本文的其余部分组织如下，第2节包含与这项工作相关的重要术语，第3节涉及拟议的解决方案指令，第4节描述了结果和讨论，第5节总结了研究工作与未来的方向。2. 材料和方法本节介绍了与这项工作有关的一些重要术语。2.1. 智能合约智能合约就像现实世界中的合约一样。最大的区别在于，它们完全是数字化的。智能合约是一个紧凑的计算机程序，存储在区块链智能合约将持有所有收到的资金，直到达到特定目标。例如，考虑一个项目的执行。该项目的支持者可以将他们的资金转移到智能合约中。 如果项目获得了全部资金，智能合约会将所有资金传递给项目如果项目未能在规定时间内筹集到足够的资金，资金将自动流向支持者。由于智能合约在区块链内部，所以一切都是分布式和不可变的;因此智能合约是完全可信的。基于业务逻辑，可以在智能合约中定义多个功能。········Swathi P.和M. VenkatesanICT Express 7（2021）2832852.2. 共识共识机制确保记录是真实和诚实的。共识是分布式账本的基本构建块[12]。共识机制确保网络上发生的所有交易都是真实的，并且所有参与者都同意对分类账状态的协议。像比特币这样的公共区块链使用工作量证明（PoW）作为共识机制。存在共识机制的大量变体，诸如权益证明（ PoS ） 、 作 者 证 明 （ PoA ） 、 容 量 证 明 （ Proof ofcapacity，POA）、实用拜占庭容错（Practical ByzantineFault Tolerance，PBFT）等。Hyperledger Fabric使用PBFT[13]。2.3. Hyperledger Fabric v2.0Hyperledger Fabric是分布式记录安排的平台，它旨在帮助可插入段的使用，并绑定整个金融生态系统中存在的不可预测性和复杂性。Hyperledger Fabric在过去几年一直在更新。目前是v2.x版本。2.3.1. 节点区块链包含很少的节点，这些节点彼此交互以处理交易。由于超级账本结构是一个许可网络，节点具有由成员服务提供商（MSP）提供的唯一身份。节点可以在物理硬件、容器或虚拟机中运行根据Hyperledger fabric，有三种类型的节点，即peers，orderer和clients。值得注意的变化是它的同行对等体被解耦为赞同者、提交者和同意者。对等点是运行交易并在分类账中维护交易的节点。Peers将从排序服务接收有序状态更新作为一个块，并在分类账中维护它，因此默认情况下所有peers都是committer。同行有一个额外的义务作为背书人。他们将执行智能合约并模拟交易。同意者验证对等体是否交换了一些资产。订购者订购交易。这种委托的集合称为订购服务.最后，最终用户将成为客户端;他们将向对等方发送事务请求。客户端将在验证过程中协调订单和提交者。2.3.2. 系统概述考虑图1所示的小型网络，其中三个组织（O1，O2，O3）将在其中创建分布式账本。每个组织都可以被视为一个有效的同行[14]。验证对等体中的一个被分配为网络发起者（O1）。客户端经由多个通道（C1、C2、C3）通过验证对等体发送事务验证对等体验证事务并广播该事务。对等节点P1存储与C1相关联的账本L1的副本。对等节点P2支持与C2相关联的分类账L2的副本。对等节点P3具有与C3相关联通道C1根据以下方式进行管理：图1.一、H y p e r l e d g e r F a b r i c 的 系统概述。图二. Hyperledger Fabric的Transactionflow。通道配置CC 1;通道受O 1和O2控制。通道C2位于O2和O3下，并根据通道配置CC2中指定的策略规则进行有一个订购服务，作为网络管理点，并使用系统通道[15]。每个组织都有一个首选的证书颁发机构（CA），它将为其同行提供证书服务2.3.3. 交易流水具有三个签署对等体和一个提交对等体的超级账本结构的交易流将根据在交易中保护数据机密性的便利性而发生。链码引用数据集合。图2、交易流程。客户端应用程序提交一个提议请求，以调用链码函数来认可作为批准组织一部分的对等体。赞同的对等体模拟交易，并将非公开信息存储在临时数据存储中，并将提议响应发送回客户端。响应由支持的读/写集和密钥散列组成。客户端应用程序将事务提交给订购服务。哈希交易被添加到块中，并在对等体之间分发。对等体将通过检查它们是否可以在提交时间期间访问数据来验证数据。如果他们有这样做的权限，对等体将在临时数据库中检查他们的数据是否已经被接收。如果没有，他们将从他们的同行中提取数据并验证数据。验证后，数据Swathi P.和M. VenkatesanICT Express 7（2021）283286图三. 提议的方法。3. 拟议方法图3所示的建议框架有助于通过事务延迟和吞吐量分析可伸缩性。如果吞吐量保持不变或随着事务数量的增加而增加，则框架是可伸缩的。换句话说，如果延迟保持恒定或随着事务的增加而减少，那么它也被认为是可扩展的框架[16]。可伸缩性表明框架的能力，以迫使开发工作量和适合放大。用户可以选择根据他们的业务用例使用建议的框架。该框架的性能评估导致不同的至少一个独立变量和估计的依赖因素的可扩展性调查。在现实世界中，测量值在每次生产试验之间都有变化。但是，在试验期间可以移动一部分测量。分布式机器学习（ML）可以解决可扩展性问题。分布式机器学习是指针对多节点系统提高性能、精度和更大输入数据量的算法。分布式ML算法可用于处理庞大的数据集，并创建有关精确性和计算要求的高效和可扩展算法[17]（内存，时间和通信需求）。Apache-sparkMLLib可以作为可伸缩性问题的解决方案。Apache Spark是一个开源的集群处理系统，用于不断的信息准备。Apache Spark的主要亮点是，内存中的集群计算可以加快应用程序的速度。Spark提供了一个接口来编程整个束，具有一定的信息并行性和对非关键故障的适应性。它旨在涵盖广泛的工作负载，例如，批处理应用程序，迭代计算，智能查询和流。区块链已经建立在apache-spark上，如图所示。3 .第三章。这形成了大量交易的最大协调标准本工作实现了Java虚拟机（JVM）外部的内存管理和运行时代码，实现了数据和SQL的展示。使用spark可以并行处理事务批准的一些部分。Fabric图四、拟 议 方 法 中 的 区 块 链 详细结构。图五. Fabric和Spark的事务工作流和映射过程。在火花。这种技术已经并行化了尽可能多的验证[15]。区块链有四层，即：合约层、网络层、共识层和应用层。spark的作用是在区块链的应用和共识层，如图所示。四、也就是说，当订购者收到交易建议时，它会检查客户端是否然后，排序器将特定的事务请求发送到Kafka集群（第4.1节中的解释），其中每个Fabric都映射到spark，以创建相应的事务订单。在映射之前，交易通过称为随机森林的机器学习算法。随机森林算法具有训练时间短、精度高等优点，被选用.这将有助于交易做出决定 在选择信道时，因此交易将在不确定的情况下发生。它最终将被收集到一个区块中-基于一个区块中允许的最大交易数量[18]，这将唯一地识别一组交易。交易工作流程以及fabric和spark的映射过程如图5所示。由于流程是并行执行的，因此可以容纳更多的事务，并使系统具有可伸缩性。4. 结果和分析4.1. 设置为了对所提出的解决方案指令进行性能评估和验证，NIT卡纳塔克邦使用安装在64位Ubuntu操作系统上的超级账本结构创建了实验是在区块链框架Swathi P.和M. VenkatesanICT Express 7（2021）283287Hyperledger Fabric 1.4.0和2.0版本，是我们调查期间通过考虑三个组织获得的最新版本。每个组织都有一个对等体、一个证书颁发机构客户端（CA）和一个存储服务提供商（MSP），这意味着N个对等体的网络中的N个组织。所有组织都使用单一通道连接，如图所示。1.一、用于实验的链码是用Golang语言编写的。Fabric中实现了两种不同的订购服务，SOLO和基于Kafka的订购服务。SOLO仅用于测试，而不是为生产环境构建的;因此，拟议的工作在实验中使用Kafka。这个订购服务由可变数量的Kafka服务器和Zookeeper节点组成。ZooKeeper 是一个群集（一组节点），用于使用健壮的同步技术进行通信和保存共享数据。ZooKeeper本身是一个分布式应用程序，提供分布式应用程序编写服务。需要有奇数个Zookeeper节点来避免split-head-decisions。建议至少使用四台Kafka服务器以实现容错。区块链网络是运行系统的各种集线器。它包含了各种设备，编程，结构和每个必修课程的设计[19]。测试是执行性能评估的集线器的安排。这些中心是可以进行两大类工作的客户，即负载生成客户和监视客户。负载生成客户端为终端客户端提交交易，而监视客户端将询问他们的同行或获得有关交易完成状态的警告该测试还收集和检查所需的数据集，以评估性能指标。4.2. 参数4.2.1. 事务延迟交易延迟是指系统上的交易提交和交易确认之间所花费的时间。由于一致性机制的一致性计算，该惰性包括扩散时间和任何稳定时间。交易延迟是对交易结果在系统上可用所产生的时间的度量交易延迟可以从两个方面考虑：交易被视为结算的对等点的数量以及相当于或低于估计的感知百分比（百分位数）。事务延迟通常报告为平均延迟，其确定如下：平均事务延迟=事务延迟总和/提交事务4.2.2. 事务吞吐量事务吞吐量由块中间值和块大小控制。一个更重要的区块可以存储更多的交易，合理地提高吞吐量;然而，它会额外地导致区块增殖时间的延长[22]。为了保证当前块被传播到图第六章交 易 数量与确认时间。图第七章 涂抹-涂抹溶液前。在产生下一个块之前的整个系统。等位基因对上述问题的解决有一定的意义.交易吞吐量是区块链在定义的时间范围内安排提交合法交易的速率。事务的吞吐量是提交合法事务的速率。因此，事务吞吐量=总提交事务/总时间。4.3. 结果分析4.3.1. 交易分析和确认时间该图绘制的交易范围为 0到50000显示在图中。第六章确认时间以秒为单位。从观察来看，很明显，确认时间几乎相同，直到30 000笔交易。然后，随着交易数量从30000笔增加，确认时间逐渐增加。这些值是从上述实验装置中收集的。从图中得出的结论是：超过30000笔交易的确认时间急剧增加。事务数量的增加增加了系统的吞吐量，但代价是增加了网络延迟。交易数量的增加增加了将更多交易提取到块4.3.2. 交易和吞吐量区块链框架的吞吐量以每秒验证的交易数量为特征。···Swathi P.和M. VenkatesanICT Express 7（2021）283288图八、涂 抹 溶 液 后 立即涂抹。图第九章 延迟-应用解决方案之前。大多数现代支付系统的吞吐量为平均每秒2000笔交易。基于比特币的区块链系统的平均吞吐量仅为每秒处理7笔交易。每秒3000笔交易是超级账本结构系统的平均吞吐量。网络上事务负载的增加和更大的块大小导致硬分叉。增加超级账本Fabric的因此，块大小的增量是不实际的，然而，根据 我们的解决方案指令，apache spark完成了这个过程。从图从图7和图8中可以看出，所提出的框架在很大程度上减少了Fabric的工作负载。从图中得出的结论是：Hyperledger Fabric在30000笔交易中显示了良好的交易。在30000个事务之后，吞吐量急剧下降。拟议的解决方案指令使用将区块链的吞吐量增加到30 000个交易，比现有的吞吐量高出10倍在解决方案指令中引入并行性增加了在系统中添加更多事务的机会，从而减少了开销。4.3.3. 分析事务和延迟在网络中传播区块所引起的延迟被称为区块链网络的延迟。验证交易所需的时间对网络的延迟有直接影响。更快的交易确认时间意味着图10. 延迟-应用溶液后。更低的延迟或更快的网络传输。在分析和比较图1和图2的结果时，9和10，注意到以下观察结果。Hyperledger Fabric在高达30000个交易时显示出良好的交易延迟，在30000个交易后延迟突然增加。这意味着系统上事务负载数量的增加将增加延迟。预计延迟增加的原因是块大小的增加。用于传播较重块的更多网络带宽或更多资源可能导致网络拥塞，从而增加延迟。4.3.4. 可扩展性从以上两个结果可以看出，所提出的框架的引入使吞吐量和延迟稳定到30000个事务。使用spark对事务处理进行并行化后，可以处理更多的事务，从而提高了可扩展性。确认时间的加速也意味着可扩展性的提高。由于区块链是建立在Spark之上的，共识机制可以利用这个机会来处理更多的交易。因此，hyperledger Fabric（PBFT）中的共识被认为是可扩展的。本文讨论了授权区块链的不同参数，通过实验可以看出，授权区块链的可扩展性、交易吞吐量、交易延迟和确认时间等参数在现有特性的基础上得到了很大程度的改善。这一观察结果确实鼓励业界欢迎区块链进入他们的领域，并利用区块链的巨大可能性。尽管本文提高了可扩展性，但它为研究人员将可扩展性从30000提高到无限数量的事务打开了大门。5. 结论区块链创新在当前十年中发展迅速。区块链在生活方式中的参与并不遥远。随着区块链创新的不断扩大，客户数量不断增加。但是，与主流处理器相比，它的性能还需要很大的改进。系统堵塞······Swathi P.和M. VenkatesanICT Express 7（2021）283289现有框架的可扩展性是一个普遍的问题，专家们正在谨慎地考虑如何解决可扩展性问题。建议的解决方案指令提出了一个新的框架，可扩展性的问题，结合分布式机器学习技术。本文包括在超级账本结构框架中应用该解决方案，并从吞吐量、延迟和可扩展性方面分析结果系统所提出的方法表现出更高的吞吐量，即使有区块链中的交易数量更高。在未来的工作中，我们可以瞄准一个更具可扩展性的系统，超过30 000个交易。CRediT作者贡献声明Swathi P.：工作的概念设计，方法学，数据收集，数据分析和解释，撰写文章. M. Venkatesan：监督，文章的关键修订，待发表版本的最终批准。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作引用[1] S. Nakamoto ， Bitcoin ： A peer-to-peer electronic cash system ，2009，Cryptography Mailing List at https：//metzdowd. com。[2] T.丁河Liu，M. Zhang，G.陈湾，澳-地Ooi，J. Wang，Untanglingblockchain ： A data processing view of blockchain systems ， IEEETrans. Knowl. Data Eng. PP（2017）http://dx.doi.org/10.1109/TKDE.2017.2781227。[3] P. Swathi，C. Modi，D. Patel，Preventing Sybil Attack in Blockchainusing Distributed Behavior Monitoring of Miners ， 2019 ， pp.1http://dx.doi.org/10.1109/ICCCNT45670.2019.8944507[4] S. Nathan，P. Thakkar，B. Vishwanathan，性能基准测试和优化Hyperledger Fabric区块链平台，2018，http：//dx.doi.org/10.1108/MASCOTS.2018.00034网站。[5] T.丁河Liu，M. Zhang，G.陈湾，澳-地Ooi，J. 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