正式上线 | 区块链实验平台 BlockEmulator 1.0

一、 BlockEmulator 是什么?

BlockEmulator 1.0 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 HuangLab (中山大学 · 黄华威研究组)开发并开源。

网站首页: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,不仅可以帮助初学者快速入门及加深理解区块链底层原理,也能为区块链研究者提供一个完整的区块链技术开发和测试环境。它可以降低开发和测试一个区块链新协议的成本和难度,为开发人员和研究人员提供可定制化的二次开发环境,加速区块链技术的创新和应用。

二、 BlockEmulator 能用来做什么?

BlockEmulator 1.0 的设计目标是为了帮助用户(研究者、学生)快速验证他们提出的新型区块链共识协议和分片机制。它被设计为一个采用轻量化区块链系统架构的实验平台。它简化了工业级区块链系统的实验环境的搭建流程,这是因为 blockEmulator 仅仅实现了区块链核心功能,比如交易池、区块打包、区块共识、交易上链等核心环节,并且支持常见的几种主流共识协议,如拜占庭容错 ( Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT ) 协议与工作量证明机制。

特别地,blockEmulator 对主流的“区块链分片机制”进行了系统底层级别的设计与实现 。其中,“跨分片交易”机制包含以下两个具有代表性的分片协议:Monoxide (NSDI’2019) 方案中提出的 “Relay 交易机制”,以及 BrokerChain (INFOCOM’2022) 中的 “broker 机制” (基于“做市商账户”的区块链跨分片协议 —— BrokerChain )。

因此,blockEmulator 支持对区块链底层新协议的正确性进行验证,尤其支持对区块链新型分片机制与协议做功能测试。

三、BlockEmulator 有什么特点?

  • 快速搭建:不仅可以在本地进行实验,还可以远程部署到云端运行。
  • 可定制化:BlockEmulator 1.0 采用 Go 语言实现,能够定制化二次开发,满足不同需求。
  • 易于实验:BlockEmulator 1.0 支持主流区块链(如以太坊)历史交易数据回放,可以自动输出、保存区块链实验指标,如系统吞吐量、交易确认时延、交易池拥塞程度等等。
  • 容易上手:无需复杂设置,科研人员与学生就能进行实验并收集数据绘制图表。

四、BlockEmulator 的架构设计

BlockEmulator 1.0 采用分层的方法进行设计,各层相对独立且只与邻近层交互,实现系统层面的功能解构,帮助用户快速熟悉系统架构并进行代码复用。

图1. BlockEmulator 1.0 整体架构设计

BlockEmulator 1.0 提供了详细的用户使用文档,如下图所示。

图2. BlockEmulator 1.0 开源文档 github 页面

五、BlockEmulator 的未来版本

本次我们暂且开源 BlockEmulator 1.0 版本。目前研究团队在持续对 BlockEmulator 更新版本,后续会推出可操作性更高、交互界面更友好的后续版本。注:BlockEmulator 已经申请了专利保护。

六、已使用 BlockEmulator 的相关论文

如下几篇论文使用了 BlockEmulator 1.0 作为实验工具。欢迎了解。

  • BrokerChain: A Cross-Shard Blockchain Protocol for Account/Balance-based State Sharding (INFOCOM 2022) PDF】【论文介绍
  • Achieving Scalability and Load Balance across Blockchain Shards for State Sharding (SRDS 2022)PDF】【论文介绍
  • tMPT: Reconfiguration across Blockchain Shards via Trimmed Merkle Patricia Trie (IWQoS 2023)PDF】【论文介绍
  • MVCom: Scheduling Most Valuable Committees for the Large-Scale Sharded Blockchain (ICDCS 2021) PDF】【论文介绍

欢迎反馈!

实验室区块链论文被顶刊 IEEE/ACM ToN 接收

Huawei Huang, May 11, 2023

研究组近三年专注于区块链底层关键技术的研究,旨在提升区块链系统的运行性能。经过三年多的摸索,我们的技术路线逐渐发展为:以分片机制为特色,通过设计新型区块链底层协议与机制,让区块链系统运行得更高效、更健壮、更安全。

研究组一篇区块链分片机制的论文今日被IEEE/ACM Transactions on Networking (ToN/TNet) 接收为长文。IEEE/ACM ToN/TNet 是 CCF-A 类推荐期刊,是计算机网络方向三大顶刊(ToN, JSAC, TMC)之一,它要求每一篇能被接收的论文必须具备以下几个条件:足够新颖的研究选题,严谨的问题描述,有性能边界保证的算法设计,对提出的机制有充足的理论分析,以及无可挑剔的实验结果。 

接下来介绍一下这篇论文。

Huawei Huang, Xiaowen Peng, Yue Lin, Miaoyong Xu, Guang Ye, Zibin Zheng, Song Guo, “Scheduling Most Valuable Committees for the Sharded Blockchain,” IEEE/ACM Transactions on Networking (ToN/TNet), 2023, pp. 1-15. To appear. [PDF]

论文简介

近年来,源自传统数据库领域的分片技术被应对到区块链,试图解决区块链系统的扩容问题 [1]。在分片区块链中,交易池中的交易可以由多个并行委员会并行处理。以这种并发的模式,分片区块链的交易吞吐量理论上可以被较大程度地提高。但是,分片区块链仍然面临一些技术挑战。其中,有个明显的系统层面的技术问题简述如下。例如图1所示的Elastico [2]方案中,当区块链节点组成若干委员会之后,在各个委员会的共识阶段,天然地存在不同的委员会对交易达成共识的速度不一致的问题。这个问题就是分布式并行计算系统中经典的 straggler “拖后腿”问题。这是因为不同的区块链分片委员会的异构处理能力导致了不均衡的共识延迟。这种不平衡的延迟给分片区块链系统的“最终委员会”带来了很大的累积等待时延。因此,区块链交易的确认时延会被大大增加,区块链系统的吞吐量会被显著降低。

图1  Elastico协议 [2] 中每轮共识的主要流程,其中 C1-C4为并行工作的分片委员会,C5为“最终委员会”,只有最终委员会产生的区块才会上链存储。

本文认为一个好的委员会调度策略可以减少在“最终委员会”造成的累积等待时延,从而有利于区块链的系统吞吐量。但我们经过调研发现,目前相关文献尚未提出一个针对这个问题的委员会调度方案。本文首先定义分片区块链中交易吞吐量与累积时延之间的动态权衡问题,然后将这个权衡问题表述为一个效用最大化问题。为了解决这一问题,我们提出了一种在线分布式随机探索算法,英文叫做 online distributed Stochastic Exploration (SE) algorithm。该算法可以为分片区块链在每一轮共识挑选出最有价值的分片委员会优先参与最终委员会的共识,旨在让每一轮共识尽量多地打包交易、并且尽量地缩短交易在并行工作分片内的等待时延。该算法还可以处理分片委员会的动态加入和失效事件。本文还对提出的算法的收敛时间和委员会失效带来的性能扰动进行了严格的理论分析。实验环节,本文使用了真实区块链历史交易数据集进行模拟仿真。结果表明,提出的算法可以选择最有价值的部分分片委员会参与最终共识,加速区块的上链。

实验平台

本文的实验工具是实验室自行开发的区块链底层协议验证平台,名为 BlockEmulator。除了本文之外,该实验平台还被其他几篇论文所采用,例如 BrokerChain [3], tMPT [4], MVCom [5], 以及分片账户图划分算法 [6]。

我们即将把 BlockEmulator 开源给外界使用,敬请关注!

参考文献

[1] Zibin Zheng, Wuhui Chen, Huawei Huang [Book] “Blockchain Scalability,” Springer, 1st edition, 2023.

[2] L. Luu, V. Narayanan, C. Zheng, K. Baweja, S. Gilbert, and P. Saxena, “A secure sharding protocol for open blockchains,” in Proc. of ACM CCS, 2016, pp. 17–30.

[3] Huawei Huang, X. Peng, J. Zhan, S. Zhang, Y. Lin, Z. Zheng, S. Guo, “BrokerChain: A Cross-Shard Blockchain Protocol for Account/Balance-based State Sharding,” in Proc. of INFOCOM, May 2022. 

[4] Huawei Huang, Yetong Zhao, Zibin Zheng, “tMPT: Reconfiguration across Blockchain Shards via Trimmed Merkle Patricia Trie,” IEEE/ACM International Symposium on Quality of Service (IWQoS), 2023.

[5] Huawei Huang, Zhenyi Huang, Xiaowen Peng, Zibin Zheng, Song Guo, “MVCom: Scheduling Most Valuable Committees for the Large-Scale Sharded Blockchain”, ICDCS, July 2021.

[6] C. Li, Huawei Huang, Y. Zhao, X. Peng, R. Yang, Z. Zheng, and S. Guo, “Achieving scalability and load balance across blockchain shards for state sharding,” in Proc. of 2022 41st International Symposium on Reliable Distributed Systems (SRDS’22), 2022, pp. 284–294.

针对 PoW 区块链的自适应双花攻击 (TDSC’23)

Jian Zheng, Huawei Huang*, Zibin Zheng, Song Guo, “Adaptive Double-Spending Attacks on PoW-based Blockchains”, IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing (TDSC), 2023.

近日,HuangLab 一篇区块链新型“双花攻击”的论文被期刊 IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing (TDSC) 接收,该期刊是网络与信息安全领域 CCF-A 类期刊。

论文下载地址:https://www.researchgate.net/publication/369982091_Adaptive_Double-Spending_Attacks_on_PoW-based_Blockchains

本论文简介如下。

一、研究背景与动机

工作量证明(Proof-of-Work,PoW)是当前应用最为广泛的区块链公链共识,双花攻击则是PoW区块链面临的经典安全性挑战 [1]。以比特币为代表的PoW 区块链使用最长链原则判断主链。交易方通过交易上链后等待主链继续生成数个区块,以保证交易的安全性,因为在PoW区块链中以小于50%的算力持续生成一条比主链更长的分叉是非常困难的。而双花攻击的基础步骤是:攻击者首先向受害者发起一笔交易,然后生成并隐藏一条比主链更长的分支;当受害者认为交易已经在主链上完成时,攻击者释放隐藏的分支替代当前主链,实现对受害者交易的回滚,达成一笔交易的“双花”。

尽管已经有很多研究讨论了双花攻击及其它各种分叉攻击变种的威胁和防御手段 [2-4],我们发现在特定条件下攻击者仍然可以利用双花攻击对 PoW 区块链的安全性产生威胁。

本文展示了我们提出的两种双花攻击的变种——自适应双花攻击(Adaptive DSA)和强化自适应双花攻击(Reinforcement Adaptive DSA,RA-DSA),旨在帮助 PoW 区块链社区对双花攻击威胁进行更好的分析与防范。

图1. 双花攻击.

二、本文贡献

  • 本文提出了自适应双花攻击(Adaptive DSA),通过随机动态变化(Stochastic Dynamic Programming)的办法,分析了攻击者对不同目标价值的交易可能采取的收益最大化策略。
  • 本文提出了强化自适应双花攻击(Reinforcement Adaptive DSA,RA-DSA),考虑了攻击者利用区块链网络特征迷惑误导诚实矿工时,可能采取的收益最大化策略。
  • 本文通过代码模拟上述两种双花攻击,分析攻击者可能采取的攻击策略。实验表明,攻击者在使用本文提出的双花攻击方法可以将发动双花攻击的算力降低到远小于50%,在攻击者最理想的情况下仅需要全网5%的算力就可以保证期望收益为正。

三、提出的新型双花攻击的简介   

1. 核心思想

虽然攻击者在算力少于50%时,难以持续生成比主链更长的支链,但受害者往往只会等待数个区块,也就是说攻击者在短时间内生成一条比主链更长的分支即可实现双花攻击。攻击者的收益包括生成受害者交易的金额和区块的出块奖励,那么攻击者可以根据受害者交易金额和当前隐藏分支出块情况进行动态决策,即自适应双花攻击(Adaptive DSA)。攻击者还可以更进一步,通过人为提前释放部分隐藏分支来分散诚实节点算力,即强化自适应双花攻击(Reinforcement Adaptive DSA,RA-DSA)

2. 攻击流程

2.1. 自适应双花攻击(Adaptive DSA)

在自适应双花攻击中,攻击者根据目标交易金额b、隐藏分支当前区块数量i、主链当前区块数量j进行动态决策:继续攻击or放弃攻击。

图2. 隐藏分支当前区块数量 i 为1,主链当前区块数量 j 为5的情况.

2.2. 强化自适应双花攻击(Reinforcement Adaptive DSA,RA-DSA)

强化自适应双花攻击是在自适应双花攻击的基础上,进一步考虑攻击者可以利用网络特征分散诚实矿工的算力。如图3所示,当攻击者占据全网算力比例为p,诚实矿工占据全网算力比例为q时,攻击者释放与主链等长分支,将会有部分诚实矿工被误导,选择跟随在攻击者的分支上继续进行挖矿,从而间接地加强了攻击者的算力,使双花攻击的算力比例阈值进一步降低。

图3. 占据全网算力比例为 p 的攻击者释放与主链等长的分支时可能发生的诚实矿工算力转移.

四、实验结果

实验设置:本文使用 C++ 语言进行了文中两种双花攻击——自适应双花攻击(Adaptive DSA)强化自适应双花攻击(Reinforcement Adaptive DSA,RA-DSA)的simulation实验。我们使用了经典PoW区块链Bitcoin作为实验环境的相关参数设定参照。

主要实验结果:我们首先测试了确认区块数量与攻击者收益的关系。如图4所示,对一笔价值200btc的交易,常规的6个确认区块只能对抗通常的双花攻击,并不能有效防御本文提出的两种双花攻击。图5展示了对于不同交易金额,抵御本文攻击所需要的最小确认区块数量。

如图6所示,随着攻击者算力比例的增加,攻击者可以选择的交易逐渐增多。当攻击者算力比例超过30%时,选择对任意交易发动攻击都可以保证期望收益为正。

图7展示了对于同样的交易金额,攻击者收益随出块奖励的减少而增加。结果表明,除了随着比特币等PoW区块链逐渐降低出块奖励,采用本文攻击方法的攻击者的收益将逐渐提高,这意味着本文提出的自适应双花攻击(Adaptive DSA)强化自适应双花攻击(Reinforcement Adaptive DSA,RA-DSA)将会对PoW区块链产生越来越大的威胁。

图4. 对一笔价值 200 BTC 的交易,验证区块的数量与攻击者收益的关系.

图5. 交易金额与保证安全的最小确认区块数量的关系.

图6. 最小可攻击交易的金额和攻击者算力比例的关系.

图7. 攻击者收益随出块奖励的变化.

五、本文总结

本文提出了两种针对PoW区块链的双花攻击——自适应双花攻击(Adaptive DSA)和强化自适应双花攻击(Reinforcement Adaptive DSA,RA-DSA),旨在帮助 PoW 区块链社区对双花攻击威胁进行更好的分析与防范。攻击者在使用本文提出的双花攻击时,会对PoW 区块链的安全性造成严重威胁。实验表明,攻击者在使用本文提出的新型双花攻击的方法可以将发动双花攻击的算力降低到远小于50%。

参考文献

[1] Nakamoto S, Bitcoin A. A peer-to-peer electronic cash system[J]. Bitcoin.–URL: https://bitcoin. org/bitcoin. pdf, 2008, 4(2).

[2] Garay J, Kiayias A, Leonardos N. The bitcoin backbone protocol: Analysis and applications[C]//Advances in Cryptology-EUROCRYPT 2015: 34th Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques, Sofia, Bulgaria, April 26-30, 2015, Proceedings, Part II. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2015: 281-310.

[3] Eyal I, Sirer E G. Majority is not enough: Bitcoin mining is vulnerable[J]. Communications of the ACM, 2018, 61(7): 95-102.

[4] Nayak K, Kumar S, Miller A, et al. Stubborn mining: Generalizing selfish mining and combining with an eclipse attack[C]//2016 IEEE European Symposium on Security and Privacy (EuroS&P). IEEE, 2016: 305-320.

tMPT: 区块链分片重组实现方案 (IWQoS’23)

Huawei Huang, Yetong Zhao,  Zibin Zheng*, “tMPT: Reconfiguration across Blockchain Shards via Trimmed Merkle Patricia Trie”, IEEE/ACM International Symposium on Quality of Service (IWQoS), June 2023.

近日,HuangLab 最新的一篇区块链分片技术的论文,被国际会议 IWQoS 接收,该会议2023年的论文接受率为 62 / 264,竞争颇为激烈。本篇论文简介如下。

一、研究背景与动机

分片技术是提高区块链可扩展性的一种可行的技术路线 [1-4]。通过将所有共识节点划分至多个分片中,分片技术可以帮助区块链实现对交易的并行处理。因此,分片技术可以大大提高区块链网络的吞吐率,适用于交易到达速率高的区块链平台。

然而,分片技术的引入将区块链系统的安全性从整个网络分摊至单个分片,因此需要一定的保护机制来保证每个分片的安全性。而分片重组是一个较为可行的增强分片区块链系统安全的手段。在分片重组的过程中,当共识节点迁移到一个新的分片时,该节点需要同步新分片中的交易或账户的状态等信息,以便能够允许共识节点在新分片中可以进行交易的验证。Elastico [1] 提出定期对各个分片的节点进行定期洗牌,然后将共识节点随机分配给各个分片。RapidChain [2]、Omniledger[3] 等论文则设计了允许分片节点部分同步的方法,以便减少分片重组过程对整个区块链系统的影响。

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分片重组的研究尚处于很初始的阶段,尚且缺少一个对分片进行重组的实现方案。本文展示我们提出的一种分片重组方案,旨在减少分片重组所需的时间,同时确保分片区块链系统的安全性。

图1  分片区块链的分片重组过程

二、本文贡献

  • 本文提出了一个分片重组协议,在保证分片系统安全性的同时,还可提高分片重组的效率。
  • 我们为分片重组协议设计了 trimmed Merkle Patricia Trie (tMPT) 数据结构,并运用 tMPT 对分片内的状态树进行压缩,旨在提高分片重组的效率。为了进一步减少分片重组过程对区块链系统的影响,我们还进一步提出了一种分片间部分重组的方案。
  • 我们在模拟系统上对分片重组过程进行了原型系统的实现,并将其部署在阿里云服务器中。实验表明,本文提出的方法在分片重组效率上优于现有的数据同步方法,所提出协议的吞吐量比以太坊的“完全同步”(Full Synchronization)的方法高 198%。

三、提出协议的简介   

1. 核心思想

根据 Ethanos [5] 的调查结果,以太坊上的交易存在着“时间局部性”,即部分账户在一周内会进行多次交易。这些活跃账户的状态数据也会在短时间内经历多次更新。受此启发,本文提出的方案通过仅在分片重组时才为共识节点同步活跃账户的状态数据,这样可大大减少分片重组时传输的数据量,从而可提高分片重组的效率。

2. 系统简介

2.1. 角色介绍

所提出的协议包括两种类型的节点和对应的两种类型的分片。

  • 验证节点 (Validator node). 验证节点保存其曾参与验证的历史区块的数据和对应的账户状态。通过存储活跃账户状态,验证节点可以进行新区块的交易验证;通过存储历史区块数据,他们可以为用户提供历史区块查询服务。验证者节点组成多个验证分片。
  • 见证节点 (Witness node). 见证节点保存全网的账户状态和节点数据,负责生成重组方案并帮助验证节点进行交易验证。见证节点组成见证分片。

2.2. 系统运行流程

图2  分片重组协议运行流程

如图2所示,我们将系统运行过程划分为共识阶段重组阶段。共识阶段中,验证分片执行片内共识,处理交易并出块。重组阶段中,见证分片生成重组方案,协助验证分片进行分片重组,并更新账户状态信息。具体步骤如下:

  • Stage 1. 每隔一定的出块间隔,见证分片利用VRF随机函数生成一份重组方案,并在分片内对该重组方案进行共识。
  • Stage 2. 重组方案被广播至全网,各分片在当前区块共识完毕后进入重组阶段。
  • Stage 3. 重组阶段开始。各工作分片分片遍历当前状态树,删去状态树中最近访问周期小于k的节点,得到epoch k的部分状态树.
  • Stage 4. Epoch k的部分状态树被发送至重组后该分片的对应的验证节点和见证分片。
  • Stage 5. 编排状态树信息。验证分片收到各分片发来的状态树,并于该分片的历史状态信息进行合并,得到各分片的全局状态信息。
  • Stage 6. 验证分片和见证分片均对本分片内更新后的状态信息进行共识。共识完成后,各分片进入共识阶段执行交易验证和出块。

四、实验结果

实验设置:本文使用 Golang 语言在实验室自行开发的区块链模拟器(名为 blockEmulator)上实现了 tMPT 协议。这里顺便提一下,blockEmulator 即将开源!敬请关注。我们收集了以太坊 2018 年 7 月 20 日到 2018 年 7月 24 日的 1,500,000 条转账交易作为实验数据来源,实验中将区块大小和出块间隔分别设置为 1000 笔交易和 4 秒,系统包含四个验证分片和一个见证分片,各分片包含 4 个共识节点。原型代码部署在租用的阿里云服务器。

主要实验结果:我们首先测试了不同重组方法所对应的区块链系统的 TPS。如图3所示,我们提出的 tMPT 和 partial tMPT 方法的 TPS 明显优于其他所有方法,且 TPS 分别为 Ethereum full sync 的 3 倍和 3.4 倍。

如图4所示,随着时间的推移,各 baseline 方法的 TPS 呈下降趋势,而 tMPT  和 partial tMPT 方法的 TPS 维持在一个稳定的水平。

图5 和 图6 展示了不同方法下的重组时延和数据量大小。结果表明,除了 tMPT 重组方法外,其余方法重组时传输的数据量都随着交易进行而不断增加,与之对应的重组时间也呈不断上涨的趋势。而由于 tMPT 只传输单个 epoch 对应的活跃账户的状态,因此重组时传输的数据量维持在一个相对稳定的水平,重组时延也保持在一个平稳的趋势。当交易执行到最后一个 epoch时,tMPT 的重组时延和传输数据量大小分别为 Ethereum full sync 的 2.8% 和 13%。

图3 平均吞吐量对比
图4  吞吐量随时间变化
图5  重组时延随时间变化
图6  重组数据随时间变化

五、本文总结

本文提出了一种基于 tMPT 的分片重组方案,旨在保证分片区块链安全性的同时提高分片重组效率。tMPT 状态树可以将重组时节点同步的状态信息进行压缩,并引入见证分片协助完成重组过程以及对非活跃账户交易的验证。此外,我们也对重组过程中系统安全性进行了理论证明。实验结果表明,本文所提出的基于 tMPT 的重组方案在交易吞吐量和重组时延等方面显著优于其他方法。

六、提出的机制应用到工业界的前景分析

分片区块链底层技术仍处于研究探索阶段,还面临诸多问题和挑战需要解决。制约分片区块链技术大规模应用的关键因素在于提高吞吐量的同时还需要确保区块链网络的安全性。本文提出的基于tMPT 的协议为分片区块链技术路线的分片重组环节提供了一个安全高效的实现方案。

参考文献

[1] Luu L, Narayanan V, Zheng C, et al. A secure sharding protocol for open blockchains[C]//Proc.of ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (CCS’16). ACM,2016:17-30.

[2] Zamani M, Movahedi M, Raykova M. Rapidchain: Scaling blockchain via full sharding[C]//Proceedings of the 2018 ACM SIGSAC conference on computer and communications security. 2018: 931-948.

[3] Kokoris-Kogias E, Jovanovic P, Gasser L, et al. Omniledger: A secure, scale-out, decentralized ledger via sharding[C]//2018 IEEE Symposium on Security and Privacy (SP). IEEE, 2018: 583-598.

[4] 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.

[5] Kim J Y, Lee J, Koo Y, et al. Ethanos: efficient bootstrapping for full nodes on account-based blockchain[C]//Proceedings of the Sixteenth European Conference on Computer Systems. 2021: 99-113.

(HuangLab出品,必属精品)

新书预告|从区块链到 Web3

受人民邮电出版社的邀请,黄老师与团队即将出版第一本科普书籍,书名为《从区块链到 Web3》,预定2023年4月出版,目前书稿已经处于出版社校对流程。敬请大家期待!

《从区块链到Web3》预览版首页

点击这里下载/查看《从区块链到 Web3》

这里趁机简介一下这本书的定位与特色

定位:
笔者在构思这本书时预设了一个定位:在内容方面我们力求跟市面上大部分关于 web3、区块链与元宇宙的技术书籍都不一样。笔者并不寻求将区块链与 web3 相关的内容“一网打尽”,而是着重于对 web3、区块链与元宇宙的生态方面做出深入思考、总结与展望,以期在这些被誉为“下一代互联网”的技术范式被大众认知的早期阶段,就去启发大众探讨这些技术背后的社会意义。

特色:
本书最大的特点,不是包罗万象,不是把所有的基本知识点都收罗进来,而是带着警惕与批判的眼光对 web3、区块链、与元宇宙行业演化过程中存在的问题进行审视,对蕴含的风险进行剖析,对潜在的机会进行发掘。在帮助读者了解必要概念的同时,理清这些概念之间的关系,警示行业风险,帮助读者掌握从区块链到 web3 的发展脉络,避免陷入对科技新潮流的盲目跟风。

面向的读者群:
本书面向所有对 Web3 感兴趣的读者。假如读者对区块链技术原理有一定的了解,那么,读者朋友将会对本书讨论的一些话题会更容易产生共鸣感。所以,为了更好地理解本书所探讨的话题,笔者建议读者预先学习一些区块链的基础知识,比如区块链的底层架构,共识协议,智能合约等等相关的概念。

愿景:
笔者希望通过本书能激发读者朋友积极探索适合于国内 web3 生态发展的路径,并带着开放的心态去思考 web3 可能带来的社会价值。

Web3.0、区块链与元宇宙哪个范畴最大?

黄华威,林建入,杨青林,2022年11月13日

今天我们探讨一个问题,如题。这个问题来自于笔者的一个金融从业的朋友。这个问题无论是从问题本身还是从问题的提出者的社会角色来看,无疑都是很有代表性的,因此笔者将对这个问题的看法整理为这篇文章。

一、概括地理解三个概念之间的关系

其实这个问题包含了三个独立的概念,即 web3.0、区块链、以及元宇宙。我们先简单粗粒度地探讨一下它们之间的关系,总结为如下三条:

  1. Web3.0 可以不使用区块链,也可以不涉及元宇宙。
  2. 区块链可以不涉及 web3.0、也可以不涉及元宇宙,比如比特币就跟这两者都没有直接关系。
  3. 元宇宙可以不使用区块链、也可以不涉及 web3.0。

当然上述这些完全无关的模式,笔者只是说存在这样的例子,不是说这三个概念就是相互完全无关。具体原因我们稍微展开讨论一下。

首先,笔者认为元宇宙的叙事最宏大。而且,从消费者的角度来说,普通用户对元宇宙的感受也最为直接。毕竟人是视觉动物,而元宇宙呈现给用户的视觉效果特别的新奇,而且这种在虚拟世界中的体验是与现实世界截然不同的。

其次,从产业的角度来说,区块链的影响最深远。这是因为区块链影响的是其他两者的底层经济基础设施,以及创造了新的经济模式。所以,我们说区块链的影响最深远,但是消费者对区块链技术的感知,其实不会那么强烈。

然后,普通用户可能在不久的将来最先能看到 web3.0 影响广泛的产品。Web3.0 的最大价值是通过采用新型数字经济模式提出的全新解决方案来解决现有商业模式的核心矛盾。实际上 web3.0 的基本诉求是:在商业上做到 “去寡头化”。在模式上,web3.0 尊重个人用户的自主选择。关于现在传统寡头化的商业模式与“去中心化金融”模式之间的矛盾已经很明显了,老百姓其实都能看明白。另一方面,从技术的角度来看,市面上也已经问世了很多 web3.0 模式的解决方案。因此,笔者认为,web3.0 是普通用户能够看得见的未来。

二、进一步地探讨三个概念之间的关联

接下来,笔者进一步系统地探讨一下这三个概念之间的关系。

Web3.0、区块链以及元宇宙相互之间的关系

如图所示,我们从4个角度来剖析:从发展历程的角度,从产品分类的角度,从生态体系的角度,以及从技术体系的角度。

首先,无论从哪一个角度来看,区块链无疑都是其他两者底层共同的基础设施。所以,我们主要来探讨 web3.0 与 元宇宙之间的关系。

从发展历程上看,web3.0 与 元宇宙沿着各自的逻辑发展,二者的发展早期并无任何的关联。具体来说,web3.0 的名词首次在 2000 年附近第一次被 Tim Berners Lee 提出。稍后,2006年 web3.0 的概念被 Jeffrey Zeldman 在一篇抨击 web2.0 的博客中提出。后来,跟区块链相关的 web3.0 的定义被 Gavin Wood 在 2014 年提出并阐释。反观元宇宙,早期的元宇宙经历了上世纪 90 年代的概念的孕育期,2000 年后的形态塑造期,以及 2021 年起始的快速发展期。可见,web3.0 与元宇宙的早期发展历程并无明显的“瓜葛”。

从产业分类的角度来看,web3.0 跟元宇宙产生了交互。这是因为元宇宙的构建者意识到元宇宙需要一个经济系统,而这个经济系统不是被一家独大的某个企业所控制。恰好,web3.0 基于区块链技术可以为元宇宙构建去中心化的数字经济系统。

进一步地,乐观的概念主义者把 web3.0 与元宇宙同时称为“下一代互联网”,而且二者在生态体系的角度看似是几乎重合的。这是一个值得辩证的观点。

最后,在技术开发者的眼里,他们可不认为二者是重合的,而是呈现出一个相互支撑的关系。比如,web3.0 可以为元宇宙提供去中心化的经济系统(DeFi)、去中心化的组织形式(DAO)、还有丰富多彩的 NFT,等等。元宇宙可以为 web3.0 提供可以施展拳脚的空间与平台。



后记:本公众号在过去2个多月陆续分享了黄华威老师创建的《Web3与元宇宙》8次课程,包括课堂录音与 PPT。第一次访问本公众号的朋友可以往前翻看具体了解。在课程内容公开之后,黄华威老师陆续收到了出版社的邀请,建议把《Web3与元宇宙》的课程内容结集出版为书籍,书名暂定为《从区块链到 Web3》,以便让更多的人了解 Web3 与元宇宙的知识。正好,黄老师团队也正有此意。目前,本书已经完成初稿。黄老师带领编写团队正在进行校对,整书有望在3~4个月内出版面世。

趁此机会,简单介绍一下即将要出版的《从区块链到 Web3》通识读本的定位与特色。与市场上同类书相比的优势与特点:在内容方面我们力求跟市面上大部分关于 web3 与元宇宙的技术、科普书籍都不一样。我们并不寻求将区块链、元宇宙与 web3 相关的概念与内容 “一网打尽”,而是着重于对 web3.0、区块链 与 元宇宙 的生态方面做出深入思考、探讨、总结与展望,以期在这些被誉为 “下一代互联网” 的范式被大众广泛认知的早期阶段,就去探讨这些技术与概念背后的社会意义。

本文内容就来自于《从区块链到 Web3》书稿的一个章节,现在提前通过本文呈现出来,也算是为我们将要出版的《从区块链到 Web3》通识读本的一个预告。

期待大家后续的关注!

2022年内CCF-A/B类会议收录的区块链论文的分布统计

黄华威,孙浩瀚,2022年10月9日

一、背景

投稿是论文发表过程中一个不可忽视的重要环节。只有知彼知己,找准合适的会议和期刊,才能有针对性地进行投稿,使论文成果得以有效、快速地发表。 CCF-A类推荐会议与期刊列表是国内计算机学科类各个研究方向声誉最好的论文发表指引。虽然在每一个领域都有若干推荐的A类顶会,但并不是所有CCF-A类会议都适合作为区块链相关研究论文的投稿对象。为了了解各个CCF-A会议以及部分高水平B类会议对区块链相关研究论文的不同偏好,也同时为了有效避免“表错情、会错意”的投稿失误,我们特此整理了2022年内的区块链论文在各个领域方向CCF-A类顶会及部分高水平B类会议上的分布情况。希望对区块链方向众多科研同行有所帮助。

同时,这里也提一下我们在2021年做过相同题目的统计,结果与2022年的稍微不同。感兴趣的读者可以对比一下这两年的情况。传送门:《2021年内CCF-A类会议收录的区块链论文的分布情况

二、区块链论文在A类会议的分布概况

通过对每个学术会议发表论文标题中包含的 “blockchain”、“smart contract”、“consensus” 等关键词进行人工搜索与筛选,我们发现2022年内发表在CCF-A类会议及部分高水平B类会议中与区块链有关的 Full Papers 共有46篇。其中各个领域内区块链论文的分布与数量总结为如下两幅图所示:

图1:46篇区块链论文在CCF推荐领域的数量分布
图2:46篇区块链论文在CCF推荐领域的占比

三、区块链论文在六个类别的分布

我们首先将这46篇区块链相关研究论文粗略地分为6类:区块链性能优化、区块链安全、区块链分析、区块链应用、智能合约、以及共识协议。

那么,这46篇区块链论文在各个类别的数量及比例如下2幅图所示:

图3:在6个类别的论文数量
图4:在6个类别的比例

四、各个研究领域适合投稿的A类会议总结

  • 1. “智能合约”方向接收论文较多的A类会议为:ISSTA、CCS
  • 2. “区块链性能优化”方向接收论文较多的A/B类会议为:INFOCOM、CCS、NDSS
  • 3. “区块链分析”方向接收论文较多的A/B类会议为:CCS、ICDCS
  • 4. “区块链安全”方向接收论文较多的A类会议为:ICDE、S&P
  • 5. “区块链应用”方向接收论文在A类会议接收较少,分布比较零散
  • 6. “共识协议”方向接收论文较多的A类会议为:CCS、S&P
图5:论文列表部分截图

以上观点仅一家之言,如有偏颇,请多担待!希望以上总结对读者有所启发与帮助。

最后,我们把这46篇论文的列表放在文末,感兴趣的读者欢迎下载:

黄华威,孙浩瀚,2022年10月9日,中山大学,软件工程学院/计算机学院

转载请标明出处:http://xintelligence.pro/archives/898

近期邀请报告记录

黄华威,2022年10月2日

趁国庆假期,整理一下最近有宣传海报的部分邀请报告,记录一下自己的学术生涯。

2022年6月24日,由中国计算机学会(CCF)牵头,CCF区块链专委会“区块链架构与共识小组”、杭州趣链科技有限公司、中山大学软件工程学院、浙江大学区块链研究中心、浙江省区块链技术研究院等组织单位支持,围绕《区块链架构与共识》的主题,开展线上技术沙龙分享,梳理区块链技术的基础架构、扩展技术、未来趋势,以总结区块链技术的发展现状,并期望为未来的进一步相关研究工作带来启发。本次讨论会,我以《区块链可扩展性的研究》为题做了报告,梳理了区块链可扩展性、区块链分片技术的背景与研究现状,介绍其在区块链可扩展性方面的一些最新研究进展。本次活动的海报如下:

区块链可扩展性的研究

2022年9月9日,受天津大学“北洋智算论坛”的邀请,我做了题目为《可支撑元宇宙中高通量交易的区块链可扩展性研究》的报告。本次报告的海报如下:

《可支撑元宇宙中高通量交易的区块链可扩展性研究》

2022年9月15号,受“华为第五届无线汇 · 华山论剑 5.5G教授论坛”的邀请,我做了一次邀请报告,题目为《可支撑元宇宙中高通量交易的区块链可扩展性研究》。本次报告的海报如下:

《可支撑元宇宙中高通量交易的区块链可扩展性研究》

2022年9月17日,受“CCF珠海-数字经济研讨会”的邀请,我做了一次邀请报告,题目为《可支撑元宇宙中高通量交易的区块链可扩展性研究》。本次报告的海报如下:

《可支撑元宇宙中高通量交易的区块链可扩展性研究》

2022年9月23日下午,受广东金融高新区“区块链+”金融科技研究院的邀请,前往佛山市基金业协会,做了一次题目为《Web3与元宇宙》的通识讲座。本次海报如下:

《Web3与元宇宙》

2022年9月23日上午,受香港科技大学(广州)的 CMA (Computational Media and Arts) Seminar 的邀请,我做了一次题目为《Exploring High-Performance Blockchains in the Context of Metaverse》的英文 talk。本次的海报如下:

《Exploring High-Performance Blockchains in the Context of Metaverse》

《Web3与元宇宙》首次开课

黄华威,2022年9月1日

近两年元宇宙突然掀起一波热潮,似乎整个世界都充斥着元宇宙的概念。有人认为元宇宙与web3代表了下一代互联网, 是可以重构现有世界的变革。也有人认为它们是击鼓传花的庞氏骗局或者泡沫经济,进去就要被“割韭菜”。那么,元宇宙与web3到底是什么?为什么它们会突然大火?

2022年8月30日,中山大学软件工程学院首门针对全校本科生的《Web3 与元宇宙》通识课程正式开课。这门课由黄华威副教授担任课程负责人。课程前沿的内容、精彩的讲授,获得了同学们的热烈反响。

《Web3与元宇宙》课程旨在帮助学生了解 web3 与元宇宙的基本原理、最新业界发展、以及它们对未来其他相关行业的影响。通过学习这门课,学生们可以理解 web3 的各项底层技术,以及与区块链、共识机制、智能合约、通证经济、DAO (去中心化自治组织)、NFT(非同质化代币)、元宇宙、数字孪生等等相关概念的关联;领会 web3 与元宇宙的应用开发理念,启发学生用“web3 思维”设计、改造相关传统 web2行业、创造新的经济模式下的应用场景;了解 web3 领域的最新科研成果,培养学生在 web3 方向的创新能力。

黄华威老师根据对 web3 与元宇宙的研究热点和前沿观察,结合学生学习专业知识的特点、对新兴事物的兴趣设计了课程内容与教学大纲,把握课程教学内容的重点、难点、深广度、并融入思政,开展《Web3与元宇宙》课程教学。 在第一节课上,黄华威老师为同学们介绍了web3与元宇宙的基础概念、技术基础、与行业现状概览。

黄老师讲授第一课

教师简介

黄华威,中山大学百人计划副教授,博士生导师,IEEE Senior Member,中山大学区块链与智能金融研究中心 (inpluslab) 副主任,中国计算机学会 (CCF) 区块链专委会执行委员、CCF 分布式与并行计算专委会执行委员。2016年取得日本会津大学计算机科学与工程博士学位;曾先后担任日本学术振兴会特别研究员、香港理工大学访问学者、日本京都大学特任助理教授。研究方向包括区块链底层机制、区块链系统与协议、Web3.0。研究成果发表在 CCF A 类期刊 IEEE Journal on Selected Areas in Communications(JSAC),IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems (TPDS), IEEE Transactions on Mobile Computing (TMC) 与 IEEE Transactions on Computers (TC),以及 CCF A / B 类国际学术会议 INFOCOM、ICDCS、SRDS、IWQoS等。论文谷歌引用 2700+,H-index 26。曾担任CCF A类期刊 IEEE JSAC 的区块链专刊 lead guest editor。负责国家重点研发计划子课题、广东省重点研发计划课题、主持国家自然科学基金青年项目,CCF-华为胡杨林基金区块链专项项目 (2021年首届),以及多项广东省、广州市科技计划项目。

基于“做市商账户”的区块链跨分片协议 —— BrokerChain

彭肖文,黄华威,2022年5月

论文信息:Huawei Huang, Xiaowen Peng, Jianzhou Zhan, Shenyang Zhang, Yue Lin, Zibin Zheng, Song Guo, “BrokerChain: A Cross-Shard Blockchain Protocol for Account/Balance-based State Sharding”, INFOCOM, May 5, 2022.

一、研究背景与动机

区块链是比特币、以太币等加密数字货币的底层基础技术,它综合利用了点对点(P2P)底层网络、分布式数据存储、密码学、分布式一致性共识机制、以及智能合约等计算机技术,构建出一个分布式存储的链式账本 [1][2]。区块链的底层架构为上层应用提供了存储、传输、计算等服务,具有去中心化、难以篡改、协同操作和匿名隐私等典型特征,有着较大的发展和应用前景。区块链主要应用于金融结算、商品溯源、版权保护、数据确权等业务场景 [3]。

然而,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 [4][5]。具体来讲,现有的区块链技术难以解决共识效率问题。例如,比特币的吞吐量为每秒 7 条交易、以太坊的吞吐量也仅为每秒 14 条交易,远低于商用级别所需的吞吐量要求。只有提高了区块链的可扩展性,才能扩大其适用场景,从而赋能数字经济、金融保险、政务等多个领域与行业。

针对区块链的可扩展性,研究人员提出了多种不同的技术方案,如闪电网络[6]、DAG技术[7]、状态通道[8]和分片机制[9]等。其中,分片(Sharding)是一种可提高区块链可扩展性的链上扩容技术。分片机制将完整的账本数据切分为多个互不相交的子账本,再让不同的区块链节点群(也称为分片)管理不同的子账本,多个分片可以并行验证交易,以此线性提升区块链系统的事务处理能力。

但是,区块链分片技术仍面临诸多挑战。如图1所示,基于账户模型的分片机制存在两个问题:第一个问题是跨分片交易比例过高,几乎所有交易均为跨分片交易。过高的跨分片交易率不仅给系统增加了额外的交易负载,而且会造成大量的跨分片通信开销。第二个问题是分片间的交易负载严重失衡,存在冷热不均的现象。我们分别称需要处理过量和少量交易的分片为热分片(Hot Shard)和冷分片(Cold Shard)。热分片由于被持续注入大量的交易,产生了交易拥挤的现象,这会增加交易的确认延迟。而冷分片内只有少量交易可以处理,所产生的区块的交易填充率不高,造成了算力、带宽等资源的浪费。面对如上两个问题,一个难题是如何保证跨分片交易比例较低的同时保证分片间的交易负载均衡。

(a)跨分片交易比例高
(b) 分片间的交易负载不均衡
图1  区块链分片技术的两大挑战

另一方面,在基于状态分片的区块链系统中,跨分片交易的验证和处理策略是至关重要的。系统需要支持分片间的通信,来保证跨分片交易执行的“原子性”。目前已有的比较高效的跨分片交易方案主要通过如图2所示的消息传递方式进行。首先,交易在源分片上链后,源分片的节点会向目标分片发送一个包含 Merkle Path 证明的中继消息。目标分片的节点接收到中继消息后,通过 Merkle Path 验证对应交易的正确上链情况,再在目标分片将关联交易上链,从而实现对相关区块链状态的更新。因为跨分片验证的存在,跨分片交易的延迟在理论上至少是片内交易时延的两倍。当位于目标分片内的关联交易迟迟无法上链时,跨分片交易的共识延迟有可能无限大。

图2  Monoxide [13] 采用“中继交易”来处理跨分片交易

为了减少跨分片交易比例、实现分片之间的负载均衡、并且保证跨分片交易的原子性,本文旨在提出一种新的跨分片协议来提高分片区块链的吞吐量和降低交易的平均确认延迟。

二、本文贡献

  • 本文提出了一套新的跨分片交易处理协议,通过引入“做市商账户”来减少跨分片交易的数量和加速跨分片交易的上链。而且,通过引入“双Nonce”机制和“部分时间状态锁”机制来防止双花交易,并保证跨分片交易的原子性。
  • 本文还提出了状态划分方案,代替分片区块链原本使用的静态状态划分策略。该分片划分方案根据一定时间内的历史交易信息构建一个账户交易状态图,并对其进行图划分。图划分的目标是平衡各个分片的交易量的同时最小化跨分片交易的数量。通过划分的结果,对每个分片内的账户状态进行动态的调整,从而缓解系统的单分片过热和跨分片交易比例过高的问题。

三、提出的跨分片协议简介

 1. 提出协议的概述

    本文提出的区块链动态分片协议的整体框架如图3所示。和传统的分片协议一样,所提出的动态分片协议以“时期 (Epoch)”为单位来运行。时期的定义为固定的片内交易共识轮次或者固定长度的时间。我们采用BFT类共识协议作为片内共识协议。在所提出的协议中,根据职能的不同,存在两种不同类型的分片:工作分片(Mining shard, M-shard)和划分分片(Partition shard, P-shard)。它们分别负责处理不同的事务,具体分工描述如下:

  • 工作分片。工作分片中的节点负责接收、验证和转发交易,并将通过片内共识协议,将合法的交易进行打包上链。工作分片所产生的包含交易的区块,称为交易区块(Transaction Block)。
  • 划分分片。划分分片中的节点负责同步工作分片中待确认的交易,并根据收集到的交易,执行给定的账户划分算法,并且维护更新后全局的账本状态。划分分片通过产生状态区块(State Block)来引导工作分片安全可靠地进行账户状态的转移和分片账本状态的更新。
图3  区块链动态分片协议整体框架

图3展示了本文所提出的跨分片协议的整体框架,包括4个关键步骤,具体描述如下:

  1. 工作分片持续接收、验证和转发客户端发送的交易信息,维护一个待上链确认的分片交易池。工作分片内的节点会通过共识协议,进行交易的验证和上链确认,产生相应的交易区块。同时,这些交易区块和待确认的交易池会被同步到划分分片中。
  2. 划分分片持续监听所有工作分片中的交易信息,构造账户交易网络并且执行Metis划分算法,对账户进行分片划分。
  3. 划分分片根据账户划分的结果,生成最新全局的分片区块链的状态信息。然后,主分片通过共识协议,记录相应的状态信息到区块中,生成相应的状态区块并且对该区块做上链共识。该状态区块会被同步到所有工作分片中。
  4. 工作分片根据状态区块中所记录的划分结果来更新自身分片的账本状态。区块链分片系统准备进入下一个时期。

2. 保障跨分片交易处理的有效性

    如图4所示,针对跨分片交易延迟高的问题,本文基于状态划分算法拟提出一种新的跨分片协议来缓解跨分片交易处理的效率问题。该协议的基本思路阐述如下:在进行状态划分的过程中,系统会同时招募一些特殊的充当中间人的账户,我们称这些特殊的账户为“做市商账户”。系统允许一部分普通用户通过自愿抵押一定的资产,选择充当做市商账户。做市商账户的状态会被系统分割成两部分或多个部分,分别存储在两个或多个分片中,从而参与到若干个跨分片交易的协调当中。做市商账户的协调机制可以减少基于转账类型的交易的跨分片通信,因此可以减少跨分片交易的延迟,从而提高跨分片交易执行的效率。

图4  基于做市商账户的机制加速跨分片交易的共识

图5展示了本文提出的跨分片协议对跨分片交易的执行原理与流程。本文在交易的数据结构中通过引入“部分状态时间锁”,从而实现跨分片交易的原子性执行。假设处于分片1的账户A给处于分片2的账户B发送一笔交易 $\Theta_raw$(如步骤1所示),中间做市商账户 C 会将原交易打包成另一个交易 $\Theta_1$,并广播到分片1(如步骤2所示)。分片1对交易 $\Theta_1$ 执行“AC转账并锁一定时间”操作并上链(如步骤3所示)。当中间商账户在一定时间内观察到交易 $\Theta_1$ 在分片1成功上链后,会向分片2广播交易 $\Theta_2$(如步骤4所示)。最后,步骤5中,分片2对交易 $\Theta_2$ 执行 “CB转账” 的操作并上链,从而最终实现一笔跨分片交易的执行。如果交易过程中因为某一方作恶或者超时,则执行中断操作:分片2会对 $\Theta_1$ 进行上链,并向分片1发送证明 $\gamma$,从而中断对跨分片交易的执行。

图5  保证跨分片交易原子性的流程

四、实验结果

实验设置:本文使用 python 搭建了一个分片区块链的仿真实验环境,实现了基于Metis图划分的分片调整和“做市商账户”跨分片交易机制。关于数据集,本文使用了以太坊从2015年8月7日至2016年2月13日的1,600,000条真实历史交易。在实验过程中,交易以一定的交易到达率被注入到各个分片中。每个分片的出块时间间隔设置为8秒,每个区块打包交易数量上限为2000条,分片数量为32个。实验测试了不同交易到达率和不同分片数量下的系统吞吐量和平均交易延迟。

主要实验结果:如图6所示,本文提出的分片协议与 Monoxide [13] 采取的分片机制相比,吞吐量最大提升150%,平均交易延迟降低70%;与基于负载均衡优先(Load Balance First,LBF)的动态分片调整协议相比,吞吐量最大提升10%,平均交易延迟降低40%。可见,与 Monoxide [13]提出的“中继交易”协议相比,本文提出的 BrokerChain 协议能够保证跨分片交易在较短的时间内完成,从而降低跨分片交易的交易延迟。

图6  吞吐量和平均交易延迟随交易到达率的变化

如图7所示,与基于Metis图划分方法相比,本文提出的机制可以将跨分片交易的比例进一步降低10%。

图7  跨分片交易比例 (分片数量为64)

五、提出的机制应用到工业界的前景分析

1. 块链分片机制的用前景

如今,区块链技术已经被诸多国家认可,各国加大了对区块链产业发展的布局,并争抢产业的制高点。我国也不断布局推动区块链产业的发展,2021 年我国发布了《指导意见》,进一步明确了区块链的发展目标,推动相关应用落地。近年来,国内头部企业纷纷推出自己的联盟链平台,如国产开源联盟链底层平台 FISCO BCOS [10]、蚂蚁链(AntChain)[11] 和华为云区块链 [12] 等。

联盟链的底层基础设施平台为上层应用提供了分布式存储、高效价值传输、分布式计算等服务,其发展状况已经成为推动区块链业务是否繁荣的关键因素。虽然联盟链技术已经有相关的落地场景,但大多局限于小规模的共识场景。现有的联盟链技术难以解决大规模共识节点和拥有大量交易的场景下的共识问题。只有提高了联盟链的可扩展性,才能更好地支撑其适用的大规模应用场景,从而赋能数字经济、数字政务等领域与行业。

本文提出的机制,针对面向广域网的大规模联盟链基础设施,采用分片技术实现提升区块链的可扩展性能。基于分片机制的联盟区块链是一个充满潜力的研究与应用方向。

2. 块链跨分片协议用前景分析

2021年初国家发布“十四五规划纲要”,指出区块链是赋能数字经济的重要基础设施。目前国内区块链领域是多链共存的现状,因此跨区块链平台实现数据与业务的高效交互十分必要。本文提出的基于做市商账户的跨分片协议,理论上可以扩展为跨链协议,它能为多个链之间提供一种简单、高效的跨链交易的服务。在跨链交易能够执行成功的情况下,可以大大减少跨链通信;在跨链交易执行失败的情况下,通过生成交易的失败证明,并执行资产回滚操作,来维护跨链交易的原子性和数字资产的全局状态一致性。

参考文献

[1] Nakamoto S. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system[J]. Decentralized Business Review, 2008: 21260

[2] Wood G. Ethereum: A secure decentralised generalised transaction ledger[J]. Ethereum project yellow paper, 2014, 151(2014): 1-32

[3]中国工商银行金融科技研究院. 区块链金融应用发展白皮书[R/OL]. 2020. http://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202004261378665796_1.pdf

[4] Zheng Z, Xie S, Dai H N, et al. Blockchain challenges and opportunities: A survey[J]. International Journal of Web and Grid Services, 2018, 14(4):352-375

[5] 韩璇, 袁勇, 王飞跃, 等. 区块链安全问题: 研究现状与展望[J]. 自动化学报, 2019, 45(1):206-225

[6] Poon J, Dryja T. The bitcoin lightning network: Scalable off-chain instant payments[EB/OL].2022. https://www.bitcoinlightning.com/wp-content/uploads/2018/03/lightning-network-paper.pdf

[7] Pervez H, Muneeb M, Irfan M U, et al. A comparative analysis of dag-based blockchain architectures[C]//2018 12th International conference on open source systems and technologies(ICOSST). IEEE, 2018:27-34

[8] Dziembowski S, Faust S, Hostáková K. General state channel networks[C]//Proceedings of the2018 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (CCS’18). ACM,2018:949-966

[9] Luu L, Narayanan V, Zheng C, et al. A secure sharding protocol for open blockchains[C]//Proc.of ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (CCS’16). ACM,2016:17-30

[10] Li H, Li C, Li H, et al. An overview on practice of fisco bcos technology and application[J].Information and Communications Technology and Policy, 2020, 46(1):52-60

[11] 蚂蚁链. https://antchain.antgroup.com/docs/11/101801

[12] 华为区块链白皮书2021,建设融合开放的数字经济基础设施 [R/OL]. 2021. https:// res-static.hc-cdn.cn/cloudbu-site/china/zh-cn/BCS/BCS__2.0.pdf

[13] J. Wang and H. Wang, “Monoxide: Scale-out blockchains with asynchronous consensus zones,” in Proc. of 16th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation (NSDI’19). Boston, MA: USENIX Association, Feb. 2019, pp. 95–112

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