许淼泳，黄华威
如下论文被 ICWS 2025 接收。
Huawei Huang, Miaoyong Xu, Chenlin Wu, Xiaofei Luo, Jian Zheng, Jianru Lin, Zibin Zheng*, “DecoupleChain: A Two-Layer Blockchain Sharding System Enabling Frequent Shard Reconfiguration”, IEEE The International Conference on Web Services (ICWS), July 2025.
一、研究背景与动机
分片技术通过将区块链网络划分为能够并行处理交易的子集，可显著提升交易吞吐量，但现有分片区块链方案在安全性与系统动态调整方面普遍存在缺陷：分片内共识节点规模较小且易受攻击。而共识节点的跨分片重洗牌（shuffling）操作虽然可以一定程度上提高分片区块链的安全性，但是 shuffling操作产生的巨大系统开销会导致分片重组的频率受限，为恶意节点提供了可乘之机。本文针对这一核心矛盾，提出了一种可支持频繁分片重组的两层区块链架构 DecoupleChain，通过系统架构创新与机制优化兼顾了分片区块链的安全性与可扩展性。
二、本文贡献
- 本文提出了一种名为DecoupleChain的双层区块链系统架构，该分片系统架构支持低开销的高频分片重组。
- DecoupleChain采用“存储”与“共识”分层的架构设计，将两种功能“发配”至独立的分片内各自执行。为此，本文设计了账户状态及交易回执的验证机制，并引入“超时控制”机制以保障交易执行的原子性。
- 本文实现了DecoupleChain的原型系统，在多个物理机共识节点搭建的实验环境中使用真实交易数据集进行了性能测试。实验结果表明：即使在分片频繁重组的场景下，DecoupleChain系统的交易吞吐量仍可保持稳定；相比之下，以太坊系统的分片方案（自实现的Eth-sharding）对应的交易吞吐量TPS则跌至75% 甚至更低。
三、提出方案的简介
1. 核心思想
DecoupleChain 的 core idea 在于对区块链功能的分层解耦。系统采用了两层架构设计：Layer1 与 Layer2。其中，我们将系统的 Layer2 设计为无状态的“共识分片”与存储专用的“存储分片”协同工作的模式：“共识分片”仅负责交易验证与共识，通过向存储分片请求账户状态及 Merkle 证明实现轻量化运行；“存储分片”则专注于状态数据的持久化与跨层验证。Layer1 采用可信公链（如以太坊）作为全局状态的信任“锚点”，通过智能合约存储区块元数据（即时间信标，time beacon），并基于 BLS 聚合签名与可验证随机函数（VRF）随机选举机制构建可信验证框架。这种功能解耦的设计使得共识分片能以极低的开销实现分钟级共识分片的重组，通过动态节点洗牌的方式来有效地抵御贿赂攻击与 Sybil 攻击，同时利用 Layer1 的可验证性保障跨分片交易的原子性。
2. 系统简介
2.1. 角色介绍
系统设计整体上分为主要的二层区块链（称为Layer2）和承担辅助作用的一层区块链（称为Layer1）。Layer2又包含“存储分片”、“共识分片”和客户端。以下对这几个角色做简要介绍。
- 存储分片。系统中的节点根据地址后缀被划分成多个group，每个group称为一个分片。分片内的节点只存储该分片的账户状态、区块等数据。节点到分片的映射是固定的。
- 共识分片。系统中的节点被随机划分成多个group，每个group称为一个共识分片。每个共识分片对应着唯一的存储分片。系统中的交易会根据交易发起者的账户被划分到不同的共识分片中处理，共识分片本身不存储账户的状态，而是在需要读取状态时从对应的存储分片中获取，并将在共识分片中执行完的交易的结果发送回存储分片。并且，节点到共识分片的映射是动态变化的，以此抵御恶意节点对特定共识分片的腐化攻击。
- 客户端。客户端负责将用户的交易发送到区块链，并关注目标交易返回的执行结果。
- Layer1。Layer1是一条可信任的公链（例如，以太坊），其上运行着与本文提出的Layer2相关的智能合约（即 TBStore）。Layer2中的共识分片出块时，会调用该智能合约，存入新区块的元信息。此外，Layer2上的共识节点可以向该智能合约查询任一分片任一高度对应的区块四元组数据，且以此为参考来验证其他共识节点发送过来的状态的正确性与合法性。
2.2. 系统运行流程
本文所提出的两层DecoupleChain系统的总体视图如图1所示，关键运行流程介绍如下。步骤①：客户端提交/广播交易。步骤②：共识分片向存储分片请求账户状态。步骤③：存储分片返回状态和Merkle证明。步骤④：共识分片运行PBFT共识以生成新区块并向客户端返回收据。步骤⑤：共识分片通过可验证随机函数（VRF）选举出一部分节点。步骤⑥：从区块中提取出时间信标（Time Beacon，简称为TB），由当选节点多重签名后，继而传递至Layer1中。步骤⑦：Layer1中的轻节点发起一笔交易，以在智能合约上记录该TB。步骤⑧：轻节点等待直至TB被确认，然后将其更新至订阅它的Layer2节点。步骤⑨：存储分片在区块链上提交区块，并将账本状态更新到状态树。
- 跨分片交易处理
跨分片交易处理是分片系统中不得不提到的一个部分。整体上我们采用与Monoxide [1] 类似的Relay Transaction（交易中继）机制，在其中增加了与客户端和Layer1链的交互与验证。此外，我们还设计了交易超时回滚机制，达到了更强的交易原子性。图2展示了一笔跨分片交易的处理过程。客户端首先向源共识分片发送一笔交易，源共识分片上链该交易并返回上链证明。随后客户端向目标共识分片发送跨分片交易。如果客户端等待一定的时间后仍然没有收到目标共识分片的回复，则认为该交易执行失败，向源共识分片发送回滚交易。
四、实验结果
实验设置：本文基于Go搭建了一个分片区块链的仿真实验环境来对所提出的协议进行验证。我们收集了以太坊2022年6月7日到2022年6月14日的1,920,000条转账交易数据作为交易数据来源。基于一些经典论文中的设置，我们将区块大小和出块间隔分别设置为1000笔交易和4秒（因而每个分片的理论最高吞吐量是每秒250笔交易）；在某些实验组，分片数量也会改变。
基准方法：本文选择以下三种方法作为基准，与DecoupleChain的重组性能进行比较。全同步方法（Full sync (Ethereum)）[2] 需要从创世块同步到最新块的所有块数据；快速同步方法（Fast sync (Ethereum)）[2]仅同步最近的区块和状态树。tMPT方法[3]基于活跃账户压缩状态树，节点必须同步压缩后的状态树。另外，本文基于以太坊实现了Eth-sharding方法，在相同的共识协议和实验参数配置下，对比两者在高频重组情况下的整体性能波动情况。
主要实验结果：如图3(b) 所示，DecoupleChain实现了最短的整体重配置延迟，其重配置延迟的中位数比tMPT低35%，比Fast sync低67%。图 3(a) 中的较大延迟波动主要归因于每次分片重配置期间共识停止阶段的延迟大幅变化。此外，由于累积的区块链数据会随着时间的推移而增加，Full sync和Fast sync方法的延迟将随着数据量的增加而增长，而tMPT方法和DecoupleChain则相对保持稳定。
当把分片重组间隔设置为三个 blocks，系统大约每12秒触发一次分片重配置。图 4 所示，与Eth-sharding相比，DecoupleChain在重配置期间产生更少的状态同步数据量。随着系统持续运行，同步数据量持续增加，DecoupleChain的优势变得更加明显。此外，Eth-sharding的吞吐量 TPS 受到分片重组累计次数的显著影响，而DecoupleChain仍然保持稳定的TPS。
五、本文总结
本文针对分片区块链中安全性与可扩展性的矛盾，提出了一种支持高频低开销重组的两层分片区块链架构DecoupleChain。通过解耦共识与存储功能，DecoupleChain系统实现了三个方面的创新：1) 无状态共识分片支持分钟级动态重组，将恶意节点集中攻击的成功概率控制在10^{-6}量级；2) 基于Merkle证明与Layer1锚定的跨层验证机制，在保障数据完整性的同时减少跨分片通信开销；3) 通过两阶段提交与超时回滚机制，保障跨分片交易的原子性，使超时交易及时回滚。实验证明，系统在200节点规模下仍能保持线性扩展能力，为分片技术的工程化落地提供了新思路。
六、提出的机制应用到工业界的前景分析
区块链底层技术仍处于初期探索阶段，还面临诸多问题和挑战。区块链的性能表现已经成为能否推动区块链产业繁荣发展的关键因素。尤其是，如何提高区块链的可扩展性已经成为当今区块链体系架构方向的重点研究方向之一。本文提出的两层分片区块链协议能够在提高区块链可扩展性的同时保障其安全性和去中心化。因此，本文提出的方案有望为分片区块链提供进一步提升系统性能的解决方案。
虽然本论文没有发表在A类顶会上，但我们自己仍然非常欣赏这项工作。
参考文献
[1] Wang J, Wang H. Monoxide: Scale out blockchains with asynchronous consensus zones[C]// Proc. of 16th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation (NSDI’19). 2019:95-112.
[2] Wood G, et al. Ethereum: A secure decentralised generalised transaction ledger[J]. Ethereum project yellow paper, 2014, 151(2014):1-32.
[3] Huang H, Zhao Y, Zheng Z. tmpt: Reconfiguration across blockchain shards via trimmed merkle patricia trie [C]//Proc. of the 31st International Symposium on Quality of Service (IWQoS 23). 2023:1-10.