A Queueing‑Driven Controller for Mempool, Block Fullness and Tail Latency

Abstract

Приватні (permissioned) блокчейн-платформи з консенсусом, стійким до візантійських відмов, дедалі частіше обслуговують навантаження, чутливі до затримок. Проте їхня продуктивність визначається взаємопов’язаними підсистемами, схильними до сплесків: пулом транзакцій (mempool), формуванням пакетів (блоків) і фіналізацією на основі лідера. Ми розробляємо, моделюємо та оцінюємо контролер на основі теорії черг, який використовує квантилі затримок і заповненість блоків як індикатори рівня обслуговування для керування як політикою mempool, так і ритмом формування блоків. У моделі mempool і конструктор блоків абстраговано як чергу з пакетним обслуговуванням зі скінченним буфером, відкалібровану за телеметрією вузлів. Водночас контролер оперує безпечними важелями – обмеженими в часі коригуваннями періоду блоку та консервативними змінами допуску/витіснення в mempool – під захистом логіки бюджету похибок і обмежень консенсусу. На тестовому стенді Hyperledger Besu IBFT/QBFT ми спостерігаємо, що за сплесків, керованих трасами, p99 часу до включення зменшується вдвічі – з 3,8 с до 1,9 с (–50 %), а p95 знижується з 2,4 с до 1,6 с (–33 %); середня заповненість блоків зростає з 82 % до 92 %, тоді як її коефіцієнт варіації зменшується вдвічі; стала пропускна здатність за ρ≈0,9 підвищується з 270 до 305 TPS без порушення SLO для p99 у 2,5 с; час спорожнення mempool після сплеску скорочується з 18 с до 7 с; а зміни раундів IBFT/QBFT падають з 38 до 11 на 10 тис. блоків. Ці здобутки досягаються за ≈1–2 % додаткового навантаження на процесор і незначного додаткового RPC-трафіку. Результати узгоджуються з очікуваннями теорії черг для пакетного обслуговування зі скінченним буфером і демонструють практичний шлях до керування, зорієнтованого на SLO, у приватних ланцюгах.

Permissioned blockchain platforms with Byzantine-fault-tolerant consensus increasingly host latency-sensitive workloads. Yet their performance is governed by coupled, burst-prone subsystems: the transaction mempool, batch (block) formation and leader-based finality. We design, model and evaluate a queueing-driven controller that uses latency quantiles and block utilisation as service-level indicators to steer both mempool policy and block-formation cadence. The modelling view abstracts the mempool and block builder as a finite-buffer batch-service queue calibrated from node telemetry. At the same time, the controller manipulates safe levers — time-bounded adjustments of the block period and conservative changes to admission/eviction in the mempool — guarded by error-budget logic and consensus constraints. On a Hyperledger Besu IBFT/QBFT testbed we observe that, under trace-driven bursts, p99 time-to-inclusion halves from 3.8 s to 1.9 s (-50%) and p95 drops from 2.4 s to 1.6 s (-33%); average block utilisation rises from 82% to 92% while its coefficient of variation halves; sustainable throughput at ρ≈0.9 improves from 270 to 305 TPS without breaching a 2.5 s p99 SLO; mempool drain-time after a burst shrinks from 18 s to 7 s; and IBFT/QBFT round-changes fall from 38 to 11 per 10k blocks. These gains are achieved with ≈1–2% CPU overhead and negligible extra RPC traffic. The results align with queueing-theoretic expectations for finite-buffer batch service and demonstrate a practical path to SLO-centred control in permissioned chains.