huang, huawei – HuangLab

HuangLab 发布最新版 BrokerChain 公链白皮书与使用说明书

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开发者如何在 BrokerChain 测试网调用符合 ERC20 协议标准的铸币智能合约

Huawei Huang, 2025 Sep.11

背景：HuangLab 在2025年6月份上线了 BrokerChain (academic) Testnet 测试网。随后，研究组展开了 BrokerChain 生态的冷启动建设。本文展示的“在 BrokerChain 上调用 ERC20 协议标准的铸币智能合约”属于生态建设的关键一环。

1. 相关智能合约的设计

我们已预先在 BrokerChain 测试网部署了符合 ERC20 协议标准的智能合约，可以为生态内的其他链上应用提供通用的“铸币”接口。同时，我们也部署了一个“wBKC 合约”（准确来讲是“铸造并管理 wBKC 的智能合约”），它用来支撑 BKC 代币在 BrokerChain 链上与其他 ERC20 代币之间进行兑换操作。其中，wBKC 是 BrokerChain 区块链原生代币 BKC的封装版本，它与符合 ERC20 协议标准的其他代币具有同样的属性，因而可以与其他 ERC20 代币进行直接兑换。因此，“（铸造并管理）wBKC的智能合约”打通了 BrokerChain 原生代币（即 BKC）与 ERC20 协议之间的壁垒。此外，我们还部署了一个“AMM（自动做市商）的智能合约”。

开发者可通过调用该“AMM 智能合约”来创建某一个“币对（coin pair）”的“流动性池”，以便支持普通用户使用某种 ERC20 代币兑换成 wBKC，或者反过来兑换。图4.18中展示的 coin pair 案例为（wBKC, DogCoin）。

图 1: 普通用户兑换代币的流程图，其中 Step 1 需要用户自主操作，Step
2 与 Step 3 是链上智能合约之间的调用。

目前，用户在 BrokerChain 测试网可以执行兑换代币的操作：将持有的 BKC 兑换成其他类型的符合 ERC20 协议标准的代币。如图1所示，假如有个用户，他有 100 枚 BKC，但是他想兑换成另外一种符合 ERC20 协议标准的代币 DogCoin。那么，当他在输入框中输入“100 BKC”并点击“兑换”按钮（即图中的“PUSH”按钮）之后，系统会按照以下 3 个步骤完成兑换代币的操作。

2. 开发者如何调用预先部署的铸币智能合约？

开发者调用已部署的智能合约函数的方法如下所述：

Step1. 获取智能合约地址：下表列出了目前部署在 BrokerChain 测试网上
的铸币智能合约地址：

智能合约名称	智能合约地址
ERC20 代币 (铸造并管理)	0xe12551Cb9E03B1c20D944943C82fB52A07302E30
wBKC 铸造	0x605Ea3f67d09bdFf604c7B0d9FE8A477cdF831fb
AMM 流动性池	0x76270242b5E3Ec5282e293e645026d409bCdc019

Step2. 获取智能合约 ABI：从智能合约 ABI 和源代码 GitHuab 代码仓库
1 下载智能合约的 ABI 文件（包括 AMM-abi.json, ERC20-abi.json，
与 wBKC-abi.json）和源代码。

Step3. 与智能合约交互：可以通过 Remix IDE 与智能合约进行交互，具体
方式参考《BrokerChain 公链白皮书与使用说明》4.4.3章节。

图2. 开发者通过调用预先部署在链上的智能合约，可以创建自己的
DeFi 产品，也可以开发前端应用。

如图2所示，开发者可以基于我们已在 BrokerChain 测试网部署的 ERC20 标准代币合约、wBKC 合约或者 AMM 合约进一步开发 DeFi 产品，比如构建借贷平台、收益聚合器等应用。此外，开发者也可以基于预先部署的智能合约开发定制化的前端应用，通过图形化界面让用户更方便地与部署在 BrokerChain 测试网上的智能合约进行交互。开发者需要自行实现前端应用的 JavaScript 代码和智能合约的交互。相应的示例代码请参考《BrokerChain 公链白皮书与使用说明》4.4.4章节。

2025年7月8月受邀报告与学术活动

记录学术生涯的受邀学术报告。黄华威，更新于 2025 年 8 月 31 日。

-Aug.18, 2025: 日本早稻田大学。I visited Prof. Horonori Washizaki’s research group and gave a talk titled “BrokerChain Testnet: How we Design and What we have learned.”

Activity of IEEE Waseda University Student Branch

Aug.10, 2025: 香港, Workshop on BFI 2025 at International Conference on Blockchain Research and Applications, Invited Speaker. Talk: （英文）“BrokerChain Testnet: How we Design and What we have learned ”，（中文）“BrokerChain 测试网：设计与运行”。

-Aug.9, 2025: 深圳，岭南学院校友会数字经济分会主题论坛，分享题目《DeFi、稳定币、RWA 的科普与自研区块链 BrokerChain 的介绍》

-Aug.2, 2025: 黄老师在区块链国际会议 CCSB (2025 5th International Conference on Computer Science and Blockchain) 受邀做 keynote speech 特邀报告 (全程英文演讲)，报告题目《BrokerChain Testnet: How we design and What we have learned》【Keynote Speaker 介绍】

-Jul 18, 2025: 受邀参加广州粤民投举办的格物私享会，主题：「稳定币、数字资产产业应用与投资机会」；分享报告题目《自研区块链 BrokerChain：科研与实践》【相关报道】

-Jul5, 2025: 受邀参加 2025 CCF 中国区块链技术与应用高峰论坛“现实资产上链：RWA技术创新与可信数字基座构建”，报告题目《使用自研分片区块链 BrokerChain 构建RWA项目的潜力》，[论坛活动总结]。公众号文章相关介绍内容：“ 中山大学教授，中山大学香港高等研究院Web3实验室双聘教授黄华威在其报告“使用自研分片区块链 BrokerChain 构建RWA项目的潜力”中，介绍了其研究团队自研分片区块链 BrokerChain 从科研到赋能去中心化金融的尝试，并为国内区块链企业（华为云区块链、中保科联公司）提供了分片区块链技术解决方案。”

BlockNetSys 2025: ACM CoNEXT Workshop on Blockchain-Network Synergy

Call for Papers

ACM CoNEXT Workshop on Blockchain-Network Synergy: Addressing Network-Centric Challenges in Decentralized Systems (BlockNetSys 2025)

Co-located with ACM CoNEXT 2025, Hong Kong, China

Statement of Interest

As the Internet continues to evolve toward hyper-distributed, even decentralized, and trustless infrastructure, blockchain technologies are emerging as a foundational component to enable secure, verifiable, and autonomous interactions between decentralized systems. Meanwhile, the decentralization revolution faces a critical bottleneck: network-layer limitations. While blockchain promises trustless coordination, its practical deployment is constrained by fundamental networking challenges:

The latency-throughput paradox: Blockchain’s security relies on global state synchronization, yet network propagation delays inherently limit transaction throughput (e.g., Bitcoin’s 7TPS vs. Visa’s 24,000TPS).
Topology-awareness gap: Current P2P overlays operate agnostically to physical network topology, causing inefficient broadcast storms and unnecessary cross-continental traffic.
Consensus-network mismatch: BFT protocols like PBFT assume synchronous networks, while real-world deployments face asymmetric latencies and intermittent connectivity.
Verifiability-cost tradeoff: Zero-knowledge proofs enable privacy but generate 10- 100x more network payload (IEEE S&P’23 measurements)

BlockNetSys will pioneer network-aware blockchain design by:

Developing network-optimized consensus protocols leveraging programmable data planes;
Redesigning topology-sensitive P2P overlays using network coordinates;
Creating hybrid trust models that balance decentralization with network realities.

The Aim of this Workshop

We seek to bring together researchers from networking, distributed systems, and blockchain communities to discuss opportunities and challenges in addressing the network-centric challenges in blockchains and decentralized systems.

This workshop is particularly relevant to the CoNEXT community, where emphasis on systems design, real-world deployments, and forward-looking architecture aligns closely with the emerging vision of decentralized intelligent network infrastructure.

We invite original papers (4–6 pages) that address network-layer challenges in blockchain systems and networks. We also explore the blockchain-empowered architecture, systems, and protocols for networking, decentralized systems, and trusted infrastructures.

Topics of interest

Topics of interest include, but are not limited to:

Network-accelerated consensus protocols (e.g., in-network ordering)
TEE-assisted network functions for blockchain validation
Low-latency state synchronization algorithms
Network-aware sharding and geo-partitioning
Bandwidth-efficient fraud-proof dissemination
DoS-resistant P2P network designs
Anonymous routing for blockchain peers
Network-layer detection of eclipse/sybil attacks
Programmable switch applications in blockchain
IBC (Inter-Blockchain Communication) protocol optimizations
Edge-native blockchain deployments
Blockchain-powered AI training orchestration
Trust-aware data routing and verifiable network telemetry
Token-based incentive mechanisms for network resource sharing
Decentralized identity, naming, and access control for network services
Smart contract-based networking and systems
Blockchain-assisted federated learning and decentralized machine learning
Zero-knowledge proofs and cryptographic systems for privacy-preserving networking
Blockchains and software engineering for edge-cloud networking
Lightweight blockchain systems for embedded and IoT networks
Consensus protocols tailored for distributed networks
Cross-chain technologies for distributed Networks and Systems

Special Emphasis: We particularly encourage:

Measurement studies of blockchain network traffic
Network stack modifications for blockchain workloads
Hardware/software co-designs that reduce networking overhead

Submission Guidelines

Submissions must be original, unpublished work, and not under consideration at another conference or journal. Submitted papers must be at most six (6) pages long, excluding references and appendices, in two-column 10pt ACM format . Authors of accepted submissions are expected to present and discuss their work at the workshop. All submissions will be peer-reviewed, and the review process will be double-blind. Per the anonymity guidelines, please prepare your paper in a way that preserves the anonymity of the authors. No information will be shared with third parties.
Please submit your paper via https://blocknetsys2025.hotcrp.com/

Important Dates

Paper Submission: July 28th, 2025
Paper Acceptance Notification: September 12^nd, 2025
Camera-ready Due: September 21^st, 2025
Program Available Online: October 15^th, 2025

TPC Chairs

Huawei Huang, Professor, Sun Yat-sen University, China
Dusit Niyato, Professor, NTU, Singapore
Yi Sun, Professor, Chinese Academy of Sciences, China
Hironori Washizaki, Professor, Waseda University, Japan

Operation Committee

Jianwen Yuan, Sun Yat-sen University, China

PC Members

Akila Sanjaya Siriweera, The University of Aizu
Jiasong Tang, Osaka Metropolitan University
Jialong Li, Waseda University
Yijun Lu, Waseda University
Nikhil Kumar Rajput, University of Delhi
Zihang Wang, Waseda University
Qianqian Pan, Waseda University
Seonah Lee, Gyeongsang National University
Zehao Wang, Concordia University
Zeyang Ma, Concordia University
Huaqian Cai, Peking University
Xiang Jing, Peking University
Huansheng Ning, University of Science and Technology Beijing
Stephen S. Yau, Arizona State University
Julie A. McCann, Imperial College
Yang Liu, Alibaba Group Holding Limited
Xiaoqing Wang, Alibaba Group Holding Limited
Yuming Deng, Alibaba Group Holding Limited
Ping Yang, State University of New York
Guanhua Yan, State University of New York
Shiyong Lu, Wayne State University
Hyong S. Kim, Carnegie Mellon University
Yongfeng Huang, Tsinghua University
Qinglin Zhao, Macau University of Science and Technology
Yun Ma, Tsinghua University
Juanjuan Li, Chinese Academy of Sciences
Somnath Panja, Indian Statistical Institute
Chenhao Wu, Waseda University
Yuyin Ma, Xinjiang University
Wenhao Yan, Sophia University
Zhenke Chen, Softusing Co. Ltd.
Jiong Dong, Xuchang University
Jianjin Zhao, Beijing University of Posts and Telecommunications
Jianyang Ding, Jiangnan University
Tingting Xiao, Hangzhou Normal University
Xueyan Zhang, Huawei Canada
Xiaoyuan Yu, Macau University of Science and Technology
Chenpei Huang, University of Houston
Pengpeng Qiao, Institute of Science Tokyo

可支持频繁分片重组的两层分片区块链方案 —— DecoupleChain

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.

DecoupleChain-Final Download

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.

两篇区块链论文被顶会 INFOCOM 2025 接收 (附论文下载)

2024年12月6日，INFOCOM 2025结果公布，中山大学软件工程学院黄华威研究组（HuangLab）与北航、新加坡科技设计大学、香港浸会大学、新加坡南洋理工大学合作的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CCF-A类计算机网络领域顶会。INFOCOM 2025年的论文接收率为 272/1458 = 18.65%。

两篇被接收论文信息如下。

[论文1] Jian Zheng (郑简), Huawei Huang* (黄华威，通讯作者), Yinqiu Liu (刘寅秋), Taotao Li (李涛涛), Hong-Ning Dai (戴弘宁), Zibin Zheng (郑子彬), “Justitia: An Incentive Mechanism towards the Fairness of Cross-shard Transactions,” IEEE International Conference on Computer Communications (INFOCOM’25), May 19-22, 2025, London, United Kingdom.
[论文2] Xinpeng Huang (黄鑫鹏), Wanqing Jie (揭晚晴), Shiwen Zhang (张诗雯), Haofu Yang (杨浩甫), Wangjie Qiu (邱望洁，通讯作者), Qinnan Zhang (张沁楠，通讯作者), Huawei Huang (黄华威), Zehui Xiong (熊泽辉), Shaoting Tang (唐绍婷), Hongwei Zheng (郑宏威), Zhiming Zheng (郑志明), “ContribChain: A Stress-Balanced Blockchain Sharding Protocol with Node Contribution Awareness”, IEEE International Conference on Computer Communications (INFOCOM’25), May 19-22, 2025, London, United Kingdom.

论文下载

通过网盘分享的文件：“INFOCOM25-两篇论文”
链接: https://pan.baidu.com/s/1MAptxA8IRCbTUxCw8Qa4Jw?pwd=uit3

提取码: uit3

Justitia郑简_INFOCOM-2025-正式版本 Download

ContribChain黄鑫鹏-INFOCOM2025-正式版本 Download

两篇论文的背景简介

论文1的一作是郑简，中山大学软件工程学院博士一年级同学。郑简同学的研究方向为区块链系统、DeFi 协议设计与经济学分析。自从2020年以本科实习生身份加入 HuangLab 之后，郑简先后参与了 HuangLab 多科研任务，例如参与开发开源区块链实验平台 BlockEmulator (blockemulator.com)、负责研究分片区块链 BrokerChain [INFOCOM 2022] 的分片间交易公平性机制 (即本篇论文提出的方案 Justitia)。此外，郑简同学2021-2022年还研究了针对 PoW (Proof-of-Work) 区块链的自适应新型双花攻击的问题，相关论文“Adaptive double-spending attacks on PoW-based blockchains”发表在TDSC（CCF A类期刊）。

论文2的一作是黄鑫鹏，北航人工智能学院博士一年级同学。黄鑫鹏同学的研究方向为高性能区块链系统、区块链攻击检测。本论文实验平台采用了黄华威研究组开源的区块链实验平台 BlockEmulator，并在此基础上进行ContribChain的系统实现。

论文1的更多背景

论文1是黄华威研究组自研分片公链BrokerChain (BrokerChain: A Cross-Shard Blockchain Protocol for Account/Balance-based State Sharding, 发表在INFOCOM 2022) 的后续相关工作。BrokerChain现在已经被完善为一个高性能分片区块链基础设施，相关技术方案目前已经支持了华为云区块链、鹏城实验室区块链、上海保交链等企业级区块链系统。2023年5月，研究组将 BrokerChain 的基本实现框架以及研究组后续一系列区块链成果的内置算法、与实验工具集开源为区块链实验平台 BlockEmulator ( blockemulator.com)，目前已经得到来自超过80个国家与地区研究者的使用。最近，研究组已经将blockEmulator 技术原理的论文上传到了 arXiv，题目为 “BlockEmulator: An Emulator Enabling to Test Blockchain Sharding Protocols”, 访问链接为 [ https://arxiv.org/abs/2311.03612 ]。在这个文档中，我们详细介绍了 BlockEmulator 的各个重要功能接口，并且展示了 BlockEmulator执行结果的正确性验证的实验。研究组还维护了一个350名的 BlockEmulator 用户群，用于解答使用者遇到的各种技术问题。截止今日，研究组已经使用 BlockEmulator 产出了十余篇区块链论文。欢迎同仁试用 BlockEmulator 来做区块链实验。

为了帮助读者更清晰地理解跟本次被接收论文1相关的几项工作的关系，这里使用图1来梳理展示。目前，黄华威研究组已经在自研分片区块链 BrokerChain 上基于智能合约开发了一个去中心化金融 (DeFi) 应用 (命名为 BrokerFi；法律法规所限，尚未落地)。如图1所示，BrokerFi 的前端采用研究组自研的 BrokerChain Wallet (BrokerFi 数字钱包)；后端即分片区块链BrokerChain；BrokerFi 的核心经济模型是Broker2Earn 协议 [INFOCOM 2024]，它展示了一个激励机制，用于帮助 BrokerFi 解决如何招募 Broker 角色参与进 BrokerChain生态的问题。研究组已经毕业的林岳同学设计了 BrokerChain 系统中的账户迁移机制 [INFOCOM 2024]。本次，郑简同学设计的 Justitia 方案针对 BrokerChain 分片区块链中共识协议在验证片内交易 (Intra-shard Transactions, ITXs)与跨分片交易 (Cross-shard Transactions, CTXs)时存在的不公平现象，旨在解决 CTX 因为交易手续费会被拆分给多个分片内的出块者而带来的延迟上链的问题。

**图1. 在分片区块链 BrokerChain上构建的第一个 DeFi 产品 BrokerFi 的架构设计**

两篇论文内容简介

论文1： Justitia: An Incentive Mechanism towards the Fairness of Cross-shard Transactions

一、基本思路

分片区块链技术 (Blockchain Sharding) 是一种确保区块链去中心化特性同时又可以大幅提高区块链性能的可行技术路线。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(cross-shard transaction, CTX)”，与之相反的是“片内交易(intra-shard transactions, ITX)”。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的性能造成巨大负面影响。

BrokerChain [INFOCOM 2022] 分片协议的基本原理是：“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”巧妙地化解为两笔容易上链处理的“片内交易”。然而，相对片内交易，跨分片交易（CTXs）会遭遇不公平性现象，而且问题是当前区块链分片技术中的一个普遍存在的挑战。尽管现有解决方案已经解决了CTX的原子性问题，但在处理分片内的交易时，CTXs在交易池内的排队延迟显著高于片内交易（ITXs），这会导致区块链用户的体验变差，并影响分片区块链对 CTXs 的上链公平性。

**图2. 在BrokerChain分片区块链中，一个跨分片交易(CTX)的处理流程**

这里我们使用图2来解释跨分片交易（CTXs）遭遇的不公平性现象。如图2所示，在分片区块链系统底层，一个CTX被解析为两个“纠缠”的子交易，分别在源分片（Source Shard）和目标分片（Destination Shard）内执行共识并上链。当用户提交一笔交易到区块链时，用户并不知道该笔交易是被当做片内交易还是跨分片交易来参与共识。而用户仅仅支付一笔常规的手续费。按照统计规律，该笔交易在一个多分片的区块链系统中大概率会被解析为一个跨分片交易，即CTX。在传统针对 CTX的处理机制中，该笔 CTX涉及的两个子交易需要分别在不同分片（源分片与目标分片）排队等待参与片内共识，原始手续费要被拆分并分别支付给两个分片内的出块者节点。这会导致此CTX在交易池中的排队延迟远高于其他片内交易ITXs，这是因为 ITXs 的手续费并没有被拆分。出块节点会优先打包ITXs。

图3和图4的前置实验结果展示了 CTX 会比 ITX 经受更长的交易池内排队时延、更小的上链比例。为了解决CTX遭遇的不公平的问题，我们提出了一种激励机制，命名为Justitia，通过激励区块提议者优先处理CTX，从而减轻它们在交易池中与 ITX 排队延迟的差异。Justitia设计时考虑了分片区块链的基本属性，包括安全性、原子性和公平性。

二、本文贡献

协议设计：我们提出一种面了向分片区块链的激励机制Justitia，专注于解决CTX与ITX的公平性问题。机制设计中采用了Shapley值理论，而且确保了多输入多输出（MIMO）类型的CTX的激励公平性。
理论保障：我们通过严格的理论分析证明了Justitia机制在分片区块链中能够保证安全性、原子性和公平性，尤其是显著减少了CTX的排队延迟。
系统实现：我们在开源分片区块链实验平台BlockEmulator上实现了Justitia机制，并基于以太坊的历史交易数据进行了广泛的性能评估。实验结果表明，Justitia不仅显著降低了CTX的排队延迟，还避免了系统高额补贴导致的经济通胀问题，证明了其面向分片区块链系统的实用性。

论文2：ContribChain: A Stress-Balanced Blockchain Sharding Protocol with Node Contribution Awareness

一、基本思路

区块链分片已成为一种用于提高区块链性能的突出技术，其核心思想是将整个区块链网络划分为多个子网，称为分片。这些分片并行地处理事务，从而提高了区块链的事务吞吐量。此外，分片区块链通过改变每个分片内的节点，对分片进行定期重组，以保证整个区块链网络的安全性。

目前，大量的研究主要集中在降低跨分片交易的比例，实现分片间的负载平衡，以提高分片区块链的性能。通过利用分片技术的并行优势，这些优化方法有助于提高系统吞吐量。但是，现有的方法忽略了分片内的节点组成，而只关注事务层。当分片之间存在性能差异时，即使它们的负载保持平衡，它们的压力也不平衡。

在这里，我们定义分片压力为分片处理事务的能力与工作负载的匹配程度。图5(a)和(b)分别说明了在事务分配和节点分配中不考虑分片性能的影响，事务积压在了处理能力较低的分片中。图5(a)显示了只考虑负载而忽略分片处理能力差异的情形；当前的负载均衡优化和分片重配置的方法侧重于事务分配或节点分配，而忽略了它们的联合影响，这会导致类似图5(b)的情况出现。我们把这个问题定义为当分片事务处理能力和分片负载不匹配时发生的分片间压力不平衡。

为了解决该问题，我们提出了一种新的压力均衡区块链分片协议 ContribChain，并设计了基于节点贡献值的节点分配和账户分配算法，以实现压力均衡。

二、本文贡献

压力均衡区块链协议（ContribChain）：我们提出动态更新的节点贡献值，以评估节点性能和安全性。此外，账户分配和节点分配算法基于节点和交易水平对分片压力进行评估，确保分片之间的压力平衡。
基于节点贡献值的节点分配算法（NACV）和基于性能的账户分配算法（P-Louvain）： NACV努力在考虑安全性的情况下，实现已分配节点的性能和分片的负载之间的平衡。P-Louvain将跨分片交易比例最小化，同时确保分片负载和性能相互匹配。
系统实现：我们在一个开源的区块链实验平台BlockEmulator上实现了ContribChain。评估结果显示，与最先进的基线相比，P-Louvain分配执行时间减少了86%，跨分片交易比例减少了7.5%；ContribChain提高了35.8%的吞吐量，降低了16%的跨分片交易比例。

团队介绍

黄华威研究组（HuangLab）是中山大学软件工程学院郑子彬院长团队的一个研究组，专注于区块链、Web3、DeFi协议设计等分布式系统协议等领域的研究。团队成员包括副研究员、博士后、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 致力于推动区块链技术的创新和应用，区块链基础设施方面的研究成果广泛发表在顶级期刊和国际会议上，如IEEE/ACM ToN, TPDS, TDSC, INFOCOM、ICDCS、SRDS、IWQoS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。

黄华威研究组学术主页：http://xintelligence.pro

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，帮助研究人员方便地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：blockemulator.com

黄华威研究组微信公众号：Huang-Lab

分片区块链 mini 综述发表在 IEEE ComMag

杨青林，黄华威， 2024 年 11 月 06 日

研究组一篇题目为 “The State-of-the-Art and Promising Future of Blockchain Sharding” 的论文近日被 IEEE Communications Magazine (ComMag) 接收。IEEE Communications Magazine 是计算机领域高水平国际期刊，重点专注工程技术-网络通讯领域的新研究，旨在促进和传播该领域相关的新技术和新知识。ComMag 最新影响因子为 8.3，是中科院 SCI 二区期刊。

论文信息

Yang, Qinglin (杨青林), Huang, Huawei (黄华威，通讯作者), Yin, Zhaokang (殷昭伉), Lin, Yue (林岳), Chen, Qinde (陈钦德), Luo, Xiaofei (罗肖飞), Li, Taotao (李涛涛), Liu, Xiulong (刘秀龙), Zheng, Zibin (郑子彬), “The State-of-the-Art and Promising Future of Blockchain Sharding,” IEEE Communications Magazine, Nov 04, 2024, pp. 1-7.

论文内容简介

区块链分片是提升区块链系统可扩展性的重要技术分支。它被认为是在不破坏区块链去中心化特性的情况下，能够实现链上扩容、显著提升区块链可扩展性的潜在解决方案之一。为了给区块链分片的研究提供参考，并激发学术界和工业界的参与，我们梳理了近三年来发表的关于区块链分片的部分最新研究。本文还进行了实验，展示了具有代表性的分片协议，如Monoxide、LBF、Metis和BrokerChain的性能。最后，我们从Web3、元宇宙和去中心化金融（DeFi）等新兴应用对高吞吐量的迫切需求出发，展望了分片技术的潜在挑战和美好未来。我们希望这篇文章能对研究人员、工程师、教育工作者有所帮助，并对区块链分片领域的后续研究有所启发。

论文下载

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黄华威2024年受邀学术报告

记录学术生涯的受邀学术报告。黄华威，更新于 2024 年 11 月 14 日。

– Nov, 2024: 黄华威老师受邀参加了多次学术报告、论坛报告，包括在港科广举办的 FinTech workshop 2024、香港岭南大学区块链讲座、中国电子学会区块链年会举办的2024 区块链和 Web3.0 技术创新与应用交流大会-新金设施论坛，报告主题为研究组正在推进落地的区块链金融项目 BrokerFi。

香港科技大学(广州) FinTech Workshop 2024 邀请报告证书（英文学术报告）

– Aug 09, 2024: 黄华威受电子科技大学交子区块链研究院的邀请 to give a talk titled 《分片区块链的研究 —— 以 Layer1 公链为目标》。

– 2024 CCF中国区块链技术与应用高峰论坛，2024年8月2-4日在内蒙古呼和浩特举办。黄华威受邀在论坛「Web3.0和元宇宙技术及应用专题论坛」发表学术演讲《区块链与Web3如何支撑元宇宙的思考与尝试》。

– 2024年7月21日-22日，华东师范大学第十一届数据科学与工程暑期学校第四天、第五天，邀请到了中山大学的黄华威教授为同学们带来关于 “区块链交易分片执行” 与 “实验: 分片区块链实验平台演示” 的精彩课程。[7月21日课程公众号文章介绍] [7月22号课程公众号文章介绍]

7月21日，华东师范大学第十一届数据科学与工程暑期学校第四天，黄华威讲述 “区块链交易分片执行” 课程

7月22日，华东师范大学第十一届数据科学与工程暑期学校第5天，黄华威讲述 “实验: 分片区块链实验平台演示” 课程

– June 22, 2024: 黄华威老师受邀参加2024年6月21-23日在吉林长春举行的 2024 CSIAM 区块链技术与应用高峰论坛，并在“区块链共识与交易安全前沿分论坛”中做题为《分片区块链的性能优化研究：为 Web3 构建基础设施》的学术报告。[ 论坛介绍 ]

– 2024年6月13日，国家区块链技术创新中心组织了“区块链网络体系结构研讨会”，会议面向跨域交互多、计算规模大、数据管理复杂、性能与扩展性要求高等特征的区块链网络的体系结构展开交流研讨，多位来自全国各地的高校及科研院所专家参与本次会议。中山大学副教授黄华威作了“分片区块链科研进展及其未来应用生态的思考”的专题报告。【公众号文章链接】

不问出身，但行世事。与君共勉。

实验室在香港举办区块链学术论坛

Huawei Huang, 2024 May 16

2024年5月11-12日，中国计算机学会第17届服务科学国际会议（CCF 17th International Conference on Service Science, CCF ICSS 2024）在香港理工大学举办。5月11日下午，实验室在本次会议举办了以“区块链、可信计算和服务”(Blockchain, Trustworthy Computing, and Services)为主题的学术论坛。

论坛简介

本论坛专注于区块链、可信计算和服务。旨在为参会专家学者提供一个分享前沿新颖的学术观点以及交流合作的平台，共同探索区块链系统、可信执行环境、DeFi等最新进展和发展趋势。本技术论坛邀请了4位区块链和人工智能领域的知名专家学者进行主题演讲，使用语言为英语，演讲内容涵盖：区块链底层协议设计、鲁棒机器学习算法、基于可信执行环境的隐私保护技术、基于区块链的DeFi服务安全。论坛主席是黄华威副教授。

论坛邀请的4位专家分别是:

肖斌，香港理工大学教授，报告题目《Security of DeFi Services Based on Blockchain》
戴弘宁，香港浸会大学副教授，报告题目《Porygon: Scaling Blockchain via 3D Parallelism》
李钰鹏，香港浸会大学助理教授，报告题目《Toward a Trustworthy Digital Future: Robust Online Machine Learning and Intelligent Fact-Checking》
牛健宇，南方科技大学研究助理教授，报告题目《When Web3 Meets TEEs: Opportunities and Challenges》

本次论坛更多的照片，请访问：https://acd.alltuu.com/mobile/large/1003451155/?mode=release

论坛主席介绍

黄华威，中山大学软件工程学院副教授，博导，入选2023年度全球前2% 顶尖科学家榜单，IEEE Senior Member，CCF高级会员。取得日本会津大学计算机科学与工程博士学位。研究方向包括区块链系统、Web3、元宇宙、分布式系统与协议。近五年区块链相关的研究成果发表在高水平国际学术会议与期刊，如 ToN, TPDS, INFOCOM, ICDCS 等，论文谷歌学术引用5500。曾在国际期刊组织6次区块链/Web3专刊；曾担任十余个国内外学术会议与学术论坛研讨会的组织主席。主持科技部与广东省重点研发计划课题，国自然面上青年、CCF-华为胡杨林基金区块链专项等十余项科研项目。出版区块链英文学术著作《From Blockchain to Web3 & Metaverse》、《Blockchain Scalability》与区块链书籍《从区块链到Web3：构建未来互联网生态》，开源了区块链实验平台blockEmulator.com。

BlockEmulator 是一个可支持多种共识协议与跨分片机制的区块链协议验证平台，由InPlusLab· 黄华威研究组开发并开源。

BlockEmulator首页：https://www.blockemulator.com

该实验平台主要面向区块链研究人员，当他们需要对提出的新型区块链共识协议、新型跨分片机制进行验证时，可以帮助用户快速搭建一个轻量化的区块链底层协议的实验平台，并对实验数据进行收集，方便绘制科研论文所需的实验图。

BlockEmulator实现了区块链的底层技术框架，不仅可以帮助初学者快速入门及加深理解区块链底层运行原理，也能为区块链研究者提供一个完整的区块链新型协议机制的开发和测试环境。它可以降低开发和测试一个区块链新协议的成本和难度，为研究人员提供可定制化的二次开发环境，可加速区块链技术的创新。

黄华威受邀参加两个区块链与Web3论坛发布 BrokerFi

2023-12-28

2023年12月份，黄华威老师受邀参加了两个区块链与Web3.0的学术会议论坛，分别记录如下。

2023年12月17日，2023 CCF中国区块链技术与应用高峰论坛，信创海河实验室与北京交通大学承办的「元宇宙和Web3.0：前沿技术与产业发展」分论坛，地点海南。
2023年12月24日，2023（第一届）大湾区计算机创新技术大会，「Web3.0、人工智能架构与可靠性关键技术」分论坛，地点珠海市。