2023年12月1日，INFOCOM’24 结果公布，HuangLab 两篇区块链分片机制的论文被接收。INFOCOM 全称为 IEEE International Conference on Computer Communications, 是国际上公认的计算机网络领域顶级会议、CCF-A类国际会议，2024年的论文接受率为 256/1307 = 19.58%。
两篇被接收论文信息如下。
- [论文1] Qinde Chen (陈钦德), Huawei Huang* (黄华威), Zhaokang Yin (殷昭伉), Guang Ye (叶光), Qinglin Yang (杨青林), “Broker2Earn: Towards Maximizing Broker Revenue and System Liquidity for Sharded Blockchains”, IEEE International Conference on Computer Communications (INFOCOM’24), 20–23 May 2024, Vancouver, Canada.
- [论文2] Huawei Huang (黄华威), YueLin (林岳), Zibin Zheng*(郑子彬), “Account Migration across Blockchain Shards using Fine-tuned Lock Mechanism”, IEEE International Conference on Computer Communications (INFOCOM’24), 20–23 May 2024, Vancouver, Canada.
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论文1 的一作是陈钦德，中山大学软件工程学院博士一年级同学。陈同学的研究方向为高性能区块链系统。自从2022年加入 HuangLab 之后，陈钦德参与了 HuangLab 多项重要任务，如参与开发开源区块链实验平台 BlockEmulator，负责研究 BrokerChain 分片区块链的激励机制 (即本篇论文提出的方案 Broker2Earn)。
论文2 的二作是林岳，中山大学计算机学院硕士3年级同学。自从2021年加入 HuangLab，林岳同学参与了BlockEmulator 早期版本的开发，重点研究 BrokerChain 分片区块链的账户迁移机制。
两篇论文的背景简介
这两篇论文是继发表在 INFOCOM’22 年 BrokerChain (BrokerChain: A Cross-Shard Blockchain Protocol for Account/Balance-based State Sharding) 的后续扩展工作。BrokerChain发表之后，HuangLab负责人黄老师提出了一个设想：HuangLab要将 BrokerChain完善为一个高性能分片区块链系统，而且还要基于 BrokerChain 开发一个去中心化金融(DeFi)应用 (后来命名为 BrokerFi)。至今，这三篇重要论文构建了 BrokerFi 的后端基础：BrokerChain [INFOCOM’22] 实现了初代分片区块链系统，Broker2Earn [INFOCOM’24] 描述了 BrokerFi 的经济模型，林岳同学设计了 BrokerChain 系统中账户迁移机制 [INFOCOM’24]。此外，HuangLab的技术指导老师林建入带领其他几位同学开发出了前端钱包 BrokerFi wallet。不久的将来，我们将尝试将 BrokerFi 项目落地并推广。
两篇论文内容简介
论文1：Broker2Earn: Towards Maximizing Broker Revenue and System Liquidity for Sharded Blockchains
一、基本思路
分片是保持区块链去中心化特性同时提高区块链可扩展性的一种可行的技术路线。区块链分片的基本思想是将所有区块链节点分成几个分片，每个分片并行处理交易。因此，分片技术可以大大提高区块链网络的吞吐量，并减小交易确认时延。然而，分片技术的引入也带来了新的挑战。首先，在状态分片中（即每个分片维护不同账户的状态），一笔交易涉及到的账户可能在不同的分片中，这种交易通常被称为跨分片交易，与之相反的是片内交易。跨分片交易的处理往往比片内交易更加耗时，因此高比例的跨分片交易会对区块链可扩展性造成影响。
BrokerChain [INFOCOM’22] 协议的一个基本出发点是：“做市商账户(broker account)”可以提供通证给分片区块链使用，以此将一笔“跨分片交易(cross-shard transaction)”巧妙地化解为两笔容易处理的“片内交易(intra-shard transactions)”。如图1所示，broker 账户为分片区块链提供的质押通证可以被视为系统“流动性”。但是 BrokerChain未解决一个关键的问题是：如何有效地吸引足够多的做市商账户参与到 BrokerChain分片区块链的生态。在没有足够的激励时，普通用户没有意愿成为 broker 并主动为分片区块链提供流动性。此外，即使用户提供了大量流动性，如何有效地利用这些流动性来最大化地处理跨分片交易是另一个挑战。
针对以上挑战，本文设计了Broker2Earn协议，旨在为 BrokerChain 提供一个可以吸引普通用户资源成为 broker 角色的激励方案。该协议有两个目标：1) 最大化做市商账户的收益；2) 提高做市商处理跨分片交易的能力。作者首先将此问题表述为一个 maximization problem，并且证明该最大化问题是一个NP-hard问题。为了解决这个问题，本文采用“随机舍入”技术设计了一种近似在线算法，保证了Broker2Earn的实用性。未来，作者计划将Broker2Earn协议作为一个 DeFi产品推向市场。
二、本文贡献
- 本文为分片区块链提出了一种激励机制 Broker2Earn，旨在吸引普通钱包用户成为“做市商”账户，用户可以通过质押闲置通证赚取稳定收益。此外，Broker2Earn方案为分片区块链BrokerChain实现了去中心化金融（DeFi）的模块，因为做市商账户质押的通证可以为分片区块链系统提供流动性，用于减少分片区块链内部的跨分片交易。
- 本文将 BrokerChain系统招募做市商账户的问题描述为一个优化问题，目标是最大化做市商收益的同时尽量减少跨分片交易的数量。为了解决这个NP-hard问题，本文设计了一个基于Relax-and-Rounding方法的online近似算法。该算法能够在线实时运行，并且本文对该算法进行了严格的最优性近似比证明分析。
- 作者在开源区块链实验平台BlockEmulator中实现了Broker2Earn协议，并使用以太坊的历史交易进行了广泛的性能评估。实验结果证实了Broker2Earn协议的有效性和实用性。
论文2：Account Migration across Blockchain Shards using Fine-tuned Lock Mechanism
一、基本思路
在一个分片区块链中（如 BrokerChain），分片负载不均衡会对区块链的性能造成影响。当各分片处理交易的速度一致时，分片负载不均衡会导致一些拥挤的分片中有大量交易在等待被处理，而其他分片则处于空闲状态，这样就没有很好地利用分片技术带来的好处。
而进行账户重划分是一个较为可行的解决上述挑战的手段。账户重划分是通过图分割算法或社区检测算法，将交互多的一批账户迁移到同一个分片可以降低跨分片交易比例，同时也可以达到分片负载均衡的效果。通过调研现有的区块链分片相关的工作，我们发现对于分片区块链的账户重划分的研究尚处于很初始的阶段，目前只发现有一篇论文提出了可行的账户迁移的实现机制。然而在这个机制（叫做SOTA-Lock）中，账户在被迁移的过程中，账户的状态数据会被锁住，涉及到的交易将无法被系统及时处理，因此这些交易的确认时延相对较长。本文展示我们提出的一种新的账户迁移的实现机制（叫做Fine-tune Lock），旨在减小账户迁移对关联交易的影响。
在本文提出的Fine-tune Lock机制中，对于正在迁移中的账户，执行扣钱操作的交易（Payer TX）仍然会被锁住，不能被执行；但收钱方的交易（Payee TX）可以被执行。采用这种细粒度的锁机制可以减轻账户迁移对其关联交易的影响。
二、本文贡献
- 本文提出了一种使用细粒度锁的账户迁移协议（Fine-tuned Lock），它可以减轻账户迁移对其关联交易的影响。
- 为了实现账户迁移，本文设计了新的账户状态和区块的数据结构。并且对传统的 relay transaction 机制进行了修改，解决账户迁移过程中可能出现的安全漏洞。
- 我们在自行开发的区块链实验平台blockEmulator上对账户迁移机制 Fine-tuned Lock做了原型系统的实现，并将其部署在腾讯云服务器中。实验结果表明，在被迁移账户的关联交易的确认时延方面，本文提出的方法优于 SOTA Lock方法。
团队介绍
HuangLab 是中山大学软件工程学院的一个研究团队，专注于区块链、Web3、元宇宙和分布式计算/协议等领域的研究。团队成员包括高级研究员、博士后研究员、硕士和博士研究生，他们在区块链技术的理论和应用方面具有丰富的经验。HuangLab 的研究成果广泛发表在顶级期刊和国际会议上，如IEEE/ACM ToN, JSAC, TPDS, TDSC, TMC等，团队成员还出版了《From Blockchain to Web3 & Metaverse》、《Blockchain Scalability》和《从区块链到Web3: 构建未来互联网生态》等区块链相关书籍。
HuangLab 开发了BlockEmulator，这是一个区块链实验工具，用于验证新的协议和机制，特别是区块链分片协议。该工具支持以太坊历史交易的回放，能自动输出实验日志文件，帮助研究人员收集实验数据并绘制实验图表。BlockEmulator以Go语言实现，支持定制化开发，适用于轻量级区块链系统的实验平台搭建。BlockEmulator 主页：https://www.blockemulator.com
HuangLab 的研究成果已在多个高水平国际会议上发表，并为区块链研究领域做出了重要贡献。团队的研究工作得到了国家自然科学基金等多个研究基金的支持。HuangLab 致力于推动区块链技术的创新和应用，为区块链技术的发展和广泛应用提供了强有力的支撑。