Performance et sécurité d'une Blockchain auto-adaptative et innovante

Performance and security of a self-adapting and innovative Blockchain

• Auteur / Autrice : Guilain Leduc
• Direction : Jean-Philippe Georges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en automatique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Radu State
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Georges, Abdelhamid Mellouk, Jérôme Lacan, Marta Chinnici, Sylvain Kubler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelhamid Mellouk, Jérôme Lacan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes adaptatifs (technologie)

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Tolérance aux fautes (informatique)

Blockchains

Mots clés libres

Blockchain

Tolérance aux pannes byzantine

Sécurité

Consensus

Contrôle adaptatif

IoT

Byzantine fault tolerance

Security

Consensus

Adaptive control

Résumé

La recherche sur les cadres applicatifs de la blockchain propose rarement une évaluation de performances. Cette thèse propose une méthodologie complète pour aider les intégrateurs logiciels à mieux comprendre et mesurer l'influence des paramètres de configuration sur la qualité globale des performances du service à long terme. Afin d'améliorer les performances, le nouveau protocole de consensus adaptatif Sabine (Self-Adaptive BlockchaIn coNsEnsus) est proposé afin de modifier dynamiquement l'un de ces paramètres dans le cadre du consensus PBFT. Le paramètre de configuration de ce consensus est le nombre de validateurs impliqués et résulte d'un compromis entre sécurité et performance. Le protocole Sabine vient donc maximiser ce nombre sous réserve que le débit de sortie corresponde au débit d'entrée. Sabine est évaluée et validée dans des contextes réels, dont les résultats montrent que Sabine a une erreur relative acceptable entre les débits de transaction demandée et engagée. Deux nouveaux algorithmes de sélection des validateurs sont proposés et renversent le paradigme aléatoire des protocoles actuels pour choisir les nœuds amenant à de meilleures performances. Le premier se base sur un système de réputation récompensant les nœuds les plus rapides. Le second sélectionne les nœuds les plus proches en imposant un roulement continu de la sélection. Ces deux algorithmes ont été simulés et leurs impacts sur la décentralisation discutés. Cette sélection, associée avec Sabine, permet d'améliorer la sécurité en laissant plus de marge au système pour augmenter le nombre de validateurs. Ces différents travaux ouvrent la voie à des chaînes plus réactives, avec moins de latence et plus de débit.

Research on blockchain application frameworks rarely offers performance evaluation. This thesis proposes a comprehensive methodology to help software integrators better understand and measure the influence of configuration parameters on the overall quality of long-term service performance. In order to improve performance, the new adaptive consensus protocol Sabine (Self-Adaptive BlockchaIn coNsEnsus) is proposed to dynamically modify one of these parameters in the PBFT consensus. The configuration parameter of this consensus is the number of validators involved and result of a trade-off between security and performance. The Sabine protocol maximises this number provided that the output rate matches the input rate. Sabine is evaluated and validated in real-world settings, the results of which show that Sabine has an acceptable relative error between the requested and committed transaction rates. Two new validator selection algorithms are proposed that reverse the random paradigm of current protocols to select the nodes leading to better performance. The first is based on a reputation system that rewards the fastest nodes. The second selects the closest nodes by imposing a continuous rotation of the selection. These two algorithms have been simulated and their impact on decentralisation discussed. This selection, associated with Sabine, improves security by giving the system more margin to increase the number of validators. This work opens the way to more reactive chains, with less latency and more throughput.