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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？ 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。 BlockEmulator … Continue reading 正式上线 | 区块链实验平台 BlockEmulator 1.0

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 … Continue reading 实验室区块链论文被顶刊 IEEE/ACM ToN 接收

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 三、提出的新型双花攻击的简介    1. … Continue reading 针对 PoW 区块链的自适应双花攻击 (TDSC’23)

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 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。 … Continue reading tMPT: 区块链分片重组实现方案 (IWQoS’23)

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！ 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： Web3.0 可以不使用区块链，也可以不涉及元宇宙。 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。 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。 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 … Continue reading Web3.0、区块链与元宇宙哪个范畴最大？

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： 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： 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 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： 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： 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： 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： 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： 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：

《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。 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) … Continue reading 《Web3与元宇宙》首次开课

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。 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。 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 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 … Continue reading 基于“做市商账户”的区块链跨分片协议 —— BrokerChain