Performance modeling, analysis, and tuning of blockchain networks

Shahsavari, Yahya (2022). Performance modeling, analysis, and tuning of blockchain networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Blockchain performance modeling can be used to provide us with a deeper understanding of the behaviour and dynamics within blockchain peer-to-peer networks. A theoretical model will help the blockchain designers obtain a better understanding of the underlying blockchain dynamics and characteristics which impact the performance of the blockchain network. A theoretical model can also accelerate the development of a blockchain system by quickly discovering a theoretically optimal initial design, which is preferable to an incremental design through iterative benchmarking.

In this research, we develop theoretical models for both public and private blockchains. We use these models to investigate the impact of the network topology on three different aspects of blockchain networks in terms of performance, security (forks) and decentralization.

Since the consensus mechanism in the majority of public blockchains is proof-of-work (PoW), we first develop a performance model for the original and well-established Bitcoin blockchain network. The proposed model can be easily adapted for other well-known PoW-based blockchains such as Ethereum. Blockchain networks that employ PoW in their consensus mechanism may face inconsistencies in the form of forks. In this research, we investigate the cause and length of forks for the Bitcoin network. In addition, we present a methodology for quantifying the decentralization degree of a blockchain network. To accomplish these objectives, we use two well-known graph models of Erdös-Rény and Barabási–Albert in order to study the blockchain network topology. We also adapt our model to study the impact of deploying a relay network and investigate the effect of the relay network size on the network performance and decentralization of PoW-based blockchains. For verifying and validating the developed models, we use historical data mined from the Bitcoin network as well as results obtained from simulation using OMNet++.

On the other hand, Byzantine Fault-Tolerant (BFT) protocols are classical algorithms that offer a faster and more energy-efficient consensus mechanism compared to PoW. Hotstuff is a partially synchronous BFT State Machine Replication (SMR) protocol that aims to address the performance and scalability issues commonly found in PoW. We propose a framework for developing a performance model for BFT-based blockchains and particularly focus on HotStuff. Since HotStuff and other BFT-based blockchains have an almost similar mechanism, this model can be also adapted for other variants of BFT consensus.

Titre traduit

Modélisation de la performance, analyse et mise au point de réseaux de chaînes de blocs

Résumé traduit

La modélisation des performances de la chîne de blocs peut être utilisée pour nous fournir une compréhension plus approfondie du comportement et de la dynamique au sein des réseaux pairà-pair chaîne de blocs. Un modèle théorique aidera les concepteurs de chaîne de blocs à mieux comprendre la dynamique et les caractéristiques sous-jacentes de la chaîne de blocs qui ont un impact sur les performances du réseau de chaîne de blocs. Un modèle théorique peut également accélérer le développement d’un système chaîne de blocs en découvrant rapidement une conception initiale théoriquement optimale, ce qui est préférable à une conception incrémentale via un benchmarking itératif.

Dans cette recherche, nous développons des modèles théoriques pour les chaîne de blocs publiques et privées. Nous utilisons ces modèles pour étudier l’impact de la topologie du réseau sur trois aspects différents des réseaux chaîne de blocs en termes de performances, de sécurité (forks) et de décentralisation.

Étant donné que le mécanisme de consensus dans la majorité des chaîne de blocs publiques est la preuve de travail (PoW), nous développons d’abord un modèle de performance pour le réseau de chaîne de blocs Bitcoin original et bien établi. Le modèle proposé peut être facilement adapté à d’autres chaîne de blocs bien connues basées sur PoW telles qu’Ethereum. Les réseaux de chaînes de blocs qui utilisent PoW dans leur mécanisme de consensus peuvent être confrontés à des incohérences sous la forme de fourches. Dans cette recherche, nous étudions la cause et la longueur des fourches pour le réseau Bitcoin. De plus, nous présentons une méthodologie pour quantifier le degré de décentralisation d’un réseau chaîne de blocs. Pour atteindre ces objectifs, nous utilisons deux modèles de graphes bien connus d’Erdös-Rény et Barabási–Albert afin d’étudier la topologie du réseau chaîne de blocs. Nous adaptons également notre modèle pour étudier l’impact du déploiement un réseau de relais et étudier l’effet de la taille du réseau de relais sur les performances du réseau et la décentralisation des chaînes de blocs basées sur PoW.Pour vérifier et valider les modèles développés, nous utilisons des données historiques extraites du réseau Bitcoin ainsi que des résultats obtenus à partir de la simulation à l’aide d’OMNet++ .

D’autre part, les protocoles byzantins tolérants aux pannes (BFT) sont des algorithmes classiques qui offrent un mécanisme de consensus plus rapide et plus économe en énergie par rapport au PoW. Hotstuff est un protocole de réplication de machine d’état BFT (SMR) partiellement synchrone qui vise à résoudre les problèmes de performances et d’évolutivité couramment rencontrés dans PoW. Nous proposons un cadre pour développer un modèle de performance pour les chaîne de blocs basées sur BFT et nous nous concentrons particulièrement sur HotStuff. Étant donné que HotStuff et d’autres chaîne de blocs basées sur BFT ont un mécanisme presque similaire, ce modèle peut également être adapté pour d’autres variantes du consensus BFT.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 119-131).
Mots-clés libres:	chaînes de blocs, modélisation des performances, crypto-monnaie, bitcoin, réseau pair-à-pair, technologies de grand livre distribué, réseaux de relais, fourche chaîne de blocs, modélisation théorique, graphe Erdös-Rény, graphe Barabási-Albert, décentralisation, hotstuff, tolérance aux pannes byzantines a, débit de transaction
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Zhang, Kaiwen
Codirecteur:	Codirecteur Talhi, Chamseddine
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	11 avr. 2023 15:38
Dernière modification:	11 avr. 2023 15:38
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3216

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