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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】

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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）和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）和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与重组阶段。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)

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“A给C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C 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 “C给B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. 区块链分片机制的应用前景

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. 区块链跨分片协议的应用前景分析

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

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Web3、DAO、与区块链 | Apr27话题

By 黄华威，2022年4月27日

早上起床翻看朋友圈，读到一篇最新的关于 Web3 的文章，题目为《Web3革命：逃离、信仰、大迁徙》，发表在虎嗅网。然后冲泡咖啡时，找了一些 Web3 的播客，听了几个音频。又把我一年前发表的一篇关于 DAO 的综述论文打印出来。阅读之后，我决定撰写一篇 Web3 感想的文章。于是就有了这篇 blog。

我们先简要过一下这篇文章。这里仅仅挑选一些 highlights，具体内容还请自行前往阅读。

文章提到 “国内至少六家互联网大厂的高级管理者或高级技术人才，放弃了稳定的高薪和可观的期权，主动探索Web3世界。” 紧接着，文章列举了几个有代表性的践行者在这个新兴赛道的早期探索与尝试。其中美团联合创始人王慧文对 Web3 学习之后，提出如下观点：“区块链撕裂了中国互联网，中国互联网的主要矛盾从巨头与创业公司的矛盾转变成古典互联网与区块链之间的矛盾”。2020年他从美团退休，开始探索新的赛道。另一个有代表性的 Web3 的从业者是前字节跳动90后程序员郭宇。2020年他从字节离职后，开始专心研究区块链技术与应用，后来全身投入 Web3 赛道。可见，从大厂高管到大厂年轻人，Web3 正在吸引源源不断的互联网人加入这个行业。

那说到这里， Web3 究竟是什么？继续引用这篇文章的说法：“Web3是指基于区块链技术的去中心化在线生态系统，许多人认为它代表了互联网的下一个阶段”。一名传统投资机构合伙人认为“目前Web3行业，很像2000年的互联网”。在目前的 Web3 行业，也逐渐有一些雏形产品问世，比如被视为去中心化的支付宝 MetaMask，被视为去中心化的QQ音乐 Audius，以及全球最大 NFT 交易平台 Opensea，等等，这些去中心化的应用已经在全球范围内吸引了千百万的用户，这些公司也逐渐成为全球最具影响力的公司。

接下来，咱们粗略地概括一下 Web3 与 区块链、还有 DAO 之间的关系。继续借用刚才文章中的观点：“区块链是一种技术，DAO是一种制度，Web3则是一种文化”。

大家已经很熟悉区块链了，我们不再赘述。我们看一下什么是 DAO。DAO的字面意思是“去中心化 自主治理的 组织”，它是一种去中心化组织形态，当然也可以通俗地理解为“去中心化的公司”，是建立在区块链基础之上的 一个自治系统。其实 DAO 不一定必需区块链技术才能建立。具有相同理念和共识的一帮人即可形成一个DAO。而且人们未必需要区块链才能形成共识。比如，文章举了一个例子：在互联网世界，当人们强烈认同一个视频或者文章时，即使不断被中心化机构删除，人们可以通过自发存储和不停地转载，将其尽力保留在网络上。这样的自发行为其实就是 DAO 的思想和 Web3 文化的一种体现。进一步来讲，如果借助区块链的技术，这些人们产生的共识，会更加容易地被记录、被分享，从而更好地践行 DAO 与 Web3 的理念与文化。

好，关于这篇文章的内容，我就为大家分享到这里。接下来的一段时间，我会通过几篇文章来逐步谈一下 Web3 行业 与 区块链、DAO 之间的关联。这里我们稍微展望一下 Web3 与 DAO 的未来。目前来看，虽然互联网人是最具有创新精神的一个群体，但是能突破 旧思维 去 拥抱新的变化，去参与新赛道，仍然是逆人性的行为，是充满挑战的。不管如何，这个世界唯一不变的真理就是这个世界在一直变化着。任何人都阻挡不了新趋势的发展。总有一个时刻你会觉得：如果不去主动拥抱变化，就会被趋势所碾压。

目前，Web3 与 DAO 已经被应用到了 互联网、金融、艺术 等等具有代表性的 为数不多的几个行业，但是这场变局已经悄悄铺开了10年时间。不用焦虑，因为社会大众对 DAO 的认识 还有 Web3 文化的了解， 远远尚未成熟。因此，这个赛道未来是一片蓝海。

然后，我再稍微提一下一年前发表在 IEEE OJ-CS 期刊上关于 DAO 的综述论文。我们论文题目是 “From Technology to Society: An Overview of Blockchain-Based DAO”，翻译过来就是“从技术到社会：对基于区块链技术的 DAO 的概览”，于2021年4月13日正式发表在 IEEE 计算机协会旗下的一个新刊 IEEE Open Journal of the Computer Society (OJ-CS)。

这篇论文主要梳理与讨论了 基于区块链技术的 DAO 的概念术语、发展历史、当前最新的研究与应用，以及对未来发展的一些展望。我在 google scholar 上看了一下我们这篇综述论文的引用情况，目前已经有4个引用，其中一个引用是来自荷兰乌得勒支大学的硕士毕业论文，作者在文中提到我们这篇论文介绍了三个比较流行的 DAO 项目： Aragon，Colony，与 DAOStack。看到我们的论文为他人带来启发，我还是很欣慰的，这也是作为一名从事学术研究的 researcher 最开心的事情了。话题有点扯远了。感兴趣的朋友们，欢迎阅读我们这篇论文，有任何问题欢迎给我留言或者发邮件给我。

最后提一下，我已经跟我的一个学生讨论了近期要做一个关于 DAO 的详细调研，后续我会陆续分享给大家，期待您的关注。

PS: 这篇 blog 的音频记录请前往“小宇宙”平台收听：https://www.xiaoyuzhoufm.com/episodes/6269030bbf39836fd02b7795