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研究組近三年專(zhuān)注于區(qū)塊鏈底層關(guān)鍵技術(shù)的研究，旨在提升區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運(yùn)行性能。經(jīng)過(guò)三年多的摸索，我們的技術(shù)路線(xiàn)逐漸發(fā)展為：以分片機(jī)制為特色，通過(guò)設(shè)計(jì)新型區(qū)塊鏈底層協(xié)議與機(jī)制，讓區(qū)塊鏈運(yùn)行得更高效、更健壯、更安全。

研究組一篇區(qū)塊鏈分片機(jī)制的論文近日被IEEE/ACM Transactions on Networking (ToN/TNet) 接收為長(zhǎng)文。IEEE/ACM ToN/TNet 是 CCF-A 類(lèi)推薦期刊，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方向三大頂刊（ToN, JSAC, TMC）之一，它要求每一篇能被接收的論文必須具備以下幾個(gè)條件：足夠新穎的研究選題，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯?wèn)題描述，有性能邊界保證的算法設(shè)計(jì)，對(duì)提出的機(jī)制有充足的理論分析，以及無(wú)可挑剔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 

接下來(lái)介紹一下這篇論文。         

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, DOI: 10.1109/TNET.2023.3278456.

論文 PDF 鏈接：

https://www.researchgate.net/publication/370671128_Scheduling_Most_Valuable_Committees_for_the_Sharded_Blockchain

近年來(lái)，源自傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域的分片技術(shù)被應(yīng)用到區(qū)塊鏈，試圖解決區(qū)塊鏈系統(tǒng)的擴(kuò)容問(wèn)題 [1]。在分片區(qū)塊鏈中，交易池中的交易可以由多個(gè)并行委員會(huì)并行處理。以這種并發(fā)的模式，分片區(qū)塊鏈的交易吞吐量理論上可以被較大程度地提高。但是，分片區(qū)塊鏈仍然面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。其中，有個(gè)系統(tǒng)層面的技術(shù)問(wèn)題，簡(jiǎn)述如下。如圖1所示的 Elastico [2]方案中，當(dāng)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)組成若干委員會(huì)之后，在各個(gè)委員會(huì)的共識(shí)階段，天然地存在不同的委員會(huì)對(duì)交易達(dá)成共識(shí)的速度不一致的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題就是分布式系統(tǒng)與并行計(jì)算領(lǐng)域經(jīng)典的 straggler “拖后腿”問(wèn)題。這是因?yàn)椴煌膮^(qū)塊鏈分片委員會(huì)的異構(gòu)處理能力導(dǎo)致了不均衡的共識(shí)延遲。這種不平衡的延遲給分片區(qū)塊鏈系統(tǒng)的“最終委員會(huì)”帶來(lái)了很大的累積等待時(shí)延。因此，區(qū)塊鏈交易的確認(rèn)時(shí)延會(huì)被大大增加，區(qū)塊鏈的吞吐量會(huì)被顯著降低。

圖1  Elastico協(xié)議[2]中每輪共識(shí)的主要流程，其中 C1-C4為并行工作的分片委員會(huì)，C5為“最終委員會(huì)”，只有最終委員會(huì)產(chǎn)生的區(qū)塊才會(huì)上主鏈存儲(chǔ)

本文認(rèn)為一個(gè)好的委員會(huì)調(diào)度策略可以減少在“最終委員會(huì)”造成的交易累積等待時(shí)延，從而有利于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)吞吐量。但經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前業(yè)界尚未提出一個(gè)針對(duì)這個(gè)問(wèn)題的委員會(huì)調(diào)度方案。本文首先定義分片區(qū)塊鏈中交易吞吐量與累積時(shí)延之間的動(dòng)態(tài)權(quán)衡問(wèn)題，然后將這個(gè)權(quán)衡問(wèn)題表述為一個(gè)效用最大化問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，我們提出了一種在線(xiàn)分布式隨機(jī)探索算法，英文叫做 online distributed Stochastic Exploration (SE) algorithm。該算法可以為分片區(qū)塊鏈在每一輪共識(shí)挑選出最有價(jià)值的分片委員會(huì)優(yōu)先參與最終委員會(huì)的共識(shí)，旨在讓每一輪共識(shí)盡量多地打包交易、并且盡量縮短交易在并行工作分片內(nèi)的等待時(shí)延。該算法還可以處理分片委員會(huì)的動(dòng)態(tài)加入和失效事件。本文還對(duì)提出的算法收斂時(shí)間和委員會(huì)失效帶來(lái)的性能擾動(dòng)進(jìn)行了嚴(yán)格的理論分析。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，本文使用了真實(shí)區(qū)塊鏈歷史交易數(shù)據(jù)集進(jìn)行模擬仿真。結(jié)果表明，提出的算法可以選擇最有價(jià)值的分片委員會(huì)參與最終共識(shí)，加速區(qū)塊的上鏈。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文的實(shí)驗(yàn)工具是實(shí)驗(yàn)室自行開(kāi)發(fā)的區(qū)塊鏈底層協(xié)議驗(yàn)證平臺(tái)，域名為 BlockEmulator.com 。除了本文之外，blockEmulator 還被其他幾篇論文所采用，例如 BrokerChain [3], tMPT [4], MVCom [5], 以及分片賬戶(hù)圖劃分算法 [6]。

我們已經(jīng)將 BlockEmulator 開(kāi)源給外界使用，敬請(qǐng)關(guān)注！

參考文獻(xiàn)

• [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] H. 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] H. 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] H. 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, H. 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.