new paper – HuangLab

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

Justitia郑简_INFOCOM-2025-接收版本 Download

ContribChain-INFOCOM25-接收版本.pdf 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

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, 1^st 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。

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**.

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。

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

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%。

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)