网络拓扑对区块链性能指标和能耗的影响：迈向可重复的基准测试

《Distributed Ledger Technologies: Research and Practice》：The Impact of Network Topology on Performance Metrics and Energy Consumption for Blockchains: Towards Repeatable Benchmarking

　　

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随着区块链从实验性原型向生产系统过渡，对其评估不仅需要考虑吞吐量、延迟等性能指标，还必须考虑能耗成本，以及在受控网络条件下的可重复性（相同设置，相同结果）和可预测性（稳定的预期）。尽管共识设计是一个众所周知的驱动因素，但底层网络拓扑的作用仍未得到充分表征，而基于云的研究既昂贵又难以复现。

我们提出了 Lilith，一个可复现、成本感知且系统无关的区块链基准测试环境，该环境支持集群部署和大规模仿真，能够在不改变应用逻辑的情况下对网络拓扑进行受控调整。利用 Lilith，我们在跨越转账交易和智能合约执行的真实工作负载（DDoS、FIFA、游戏、GAFAM、PayPal、VISA）下，对五种区块链（Algorand、Diem、Ethereum Clique、Quorum IBFT 和 Solana）在五种网络拓扑（胖树、全网格、超立方体、无标度和环面）下进行了评估。除平均性能和能耗外，我们还量化了运行间的离散度，并使用统计工具（因子方差分析和组内相关系数）对跨因素方差进行归因分析；我们进一步提出了一个四级可预测性分类体系（P0-P3），并将我们的方法定位为 P2 级别。

我们的结果突显了性能与能耗之间明确的权衡关系：在密集型工作负载下，全网格、超立方体和环面倾向于提供更高的性能，而胖树和全网格则产生最低的每笔已提交交易能耗。与此同时，吞吐量与延迟在特定的区块链-拓扑-工作负载组合下可表现出极端的最差情况偏差（超过 1,200%），而能耗则相对更为稳定，主要受工作负载驱动。总体而言，Algorand 和 Diem 在稳定的中等范围离散度下提供了较强的能效；Ethereum Clique 表现出最窄的运行间波动范围，但能耗仍然较高；Quorum IBFT 和 Solana 对拓扑和负载最为敏感，在重负载下随着规模扩大而承受不断攀升的能耗成本。

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