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2023年12月1日，INFOCOM’24 結(jié)果公布，中山大學(xué)軟件工程學(xué)院黃華威研究組 (HuangLab) 兩篇區(qū)塊鏈分片機(jī)制的論文被接收。INFOCOM 全稱為 IEEE International Conference on Computer Communications, 是國際上公認(rèn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議、CCF-A類國際會(huì)議，2024年的論文接受率為 256/1307 = 19.58%。

 

兩篇被接收論文信息如下。

• [論文1] Qinde Chen (陳欽德), Huawei Huang* (黃華威), Zhaokang Yin (殷昭伉), Guang Ye (葉光), Qinglin Yang (楊青林), “Broker2Earn: Towards Maximizing Broker Revenue and System Liquidity for Sharded Blockchains”, IEEE International Conference on Computer Communications (INFOCOM’24), 20–23 May 2024, Vancouver, Canada.
• [論文2] Huawei Huang (黃華威), YueLin (林岳), Zibin Zheng*(鄭子彬), “Account Migration across Blockchain Shards using Fine-tuned Lock Mechanism”, IEEE International Conference on Computer Communications (INFOCOM’24), 20–23 May 2024, Vancouver, Canada.

 

論文1的一作是陳欽德，中山大學(xué)軟件工程學(xué)院博士一年級(jí)同學(xué)。陳同學(xué)的研究方向?yàn)楦咝阅軈^(qū)塊鏈系統(tǒng)。自從2022年加入 HuangLab 之后，陳欽德參與了 HuangLab 多項(xiàng)重要任務(wù)，如參與開發(fā)開源區(qū)塊鏈實(shí)驗(yàn)平臺(tái) BlockEmulator (https://www.blockemulator.com)，負(fù)責(zé)研究 BrokerChain 分片區(qū)塊鏈的激勵(lì)機(jī)制 (即本篇論文提出的方案 Broker2Earn)。

論文2的二作為林岳，中山大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院碩士3年級(jí)同學(xué)。自從2021年加入 HuangLab，林岳同學(xué)參與了BlockEmulator 早期版本的開發(fā)，負(fù)責(zé)研究 BrokerChain 分片區(qū)塊鏈的賬戶遷移機(jī)制。

 

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兩篇論文的背景簡(jiǎn)介

這兩篇論文是繼發(fā)表在 INFOCOM'22 年 BrokerChain (BrokerChain: A Cross-Shard Blockchain Protocol for Account/Balance-based State Sharding) 的后續(xù)擴(kuò)展工作。BrokerChain發(fā)表之后，HuangLab負(fù)責(zé)人黃老師提出了一個(gè)設(shè)想：HuangLab要將 BrokerChain完善為一個(gè)高性能分片區(qū)塊鏈系統(tǒng)，而且還要基于 BrokerChain 開發(fā)一個(gè)去中心化金融(DeFi)應(yīng)用 (后來命名為 BrokerFi)。至今，這三篇重要論文構(gòu)建了 BrokerFi 的后端基礎(chǔ)：BrokerChain [INFOCOM'22] 實(shí)現(xiàn)了初代分片區(qū)塊鏈系統(tǒng)，Broker2Earn [INFOCOM'24] 描述了 BrokerFi 的經(jīng)濟(jì)模型，林岳同學(xué)設(shè)計(jì)了 BrokerChain 系統(tǒng)中賬戶遷移機(jī)制 [INFOCOM'24]。此外，HuangLab的技術(shù)指導(dǎo)老師林建入帶領(lǐng)其他幾位同學(xué)開發(fā)出了前端錢包 BrokerFi wallet。不久的將來，我們將嘗試將 BrokerFi 項(xiàng)目落地并推廣。

Broker-Fi 的整體設(shè)計(jì)框架

 

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兩篇論文內(nèi)容簡(jiǎn)介

論文1： Broker2Earn: Towards Maximizing Broker Revenue and System Liquidity for Sharded Blockchains

一、基本思路   

分片是保持區(qū)塊鏈去中心化特性同時(shí)提高區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性的一種可行的技術(shù)路線。區(qū)塊鏈分片的基本思想是將所有區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)分成幾個(gè)分片，每個(gè)分片并行處理交易。因此，分片技術(shù)可以大大提高區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，并減小交易確認(rèn)時(shí)延。然而，分片技術(shù)的引入也帶來了新的挑戰(zhàn)。首先，在狀態(tài)分片中（即每個(gè)分片維護(hù)不同賬戶的狀態(tài)），一筆交易涉及到的賬戶可能在不同的分片中，這種交易通常被稱為跨分片交易，與之相反的是片內(nèi)交易。跨分片交易的處理往往比片內(nèi)交易更加耗時(shí)，因此高比例的跨分片交易會(huì)對(duì)區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性造成影響。

BrokerChain [INFOCOM’22] 協(xié)議的一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)是：“做市商賬戶(broker account)”可以提供通證給分片區(qū)塊鏈?zhǔn)褂?，以此將一筆“跨分片交易(cross-shard transaction)”巧妙地化解為兩筆容易處理的“片內(nèi)交易(intra-shard transactions)”。如圖1所示，broker 賬戶為分片區(qū)塊鏈提供的質(zhì)押通證可以被視為系統(tǒng)“流動(dòng)性”。但是 BrokerChain未解決一個(gè)關(guān)鍵的問題是：如何有效地吸引足夠多的做市商賬戶參與到 BrokerChain分片區(qū)塊鏈的生態(tài)。在沒有足夠的激勵(lì)時(shí)，普通用戶沒有意愿成為 broker 并主動(dòng)為分片區(qū)塊鏈提供流動(dòng)性。此外，即使用戶提供了大量流動(dòng)性，如何有效地利用這些流動(dòng)性來最大化地處理跨分片交易是另一個(gè)挑戰(zhàn)。

針對(duì)以上挑戰(zhàn)，本文設(shè)計(jì)了Broker2Earn協(xié)議 [INFOCOM’24] ，旨在為 BrokerChain 提供一個(gè)可以吸引普通用戶資源成為 broker 角色的激勵(lì)方案。該協(xié)議有兩個(gè)目標(biāo)：1) 最大化做市商賬戶的收益；2) 提高做市商處理跨分片交易的能力。作者首先將此問題表述為一個(gè) maximization problem，并且證明該最大化問題是一個(gè)NP-hard問題。為了解決這個(gè)問題，本文采用“隨機(jī)舍入”技術(shù)設(shè)計(jì)了一種近似在線算法，保證了Broker2Earn的實(shí)用性。未來，作者計(jì)劃將 Broker2Earn 協(xié)議作為一個(gè) DeFi產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

 

二、本文貢獻(xiàn)

• 本文為分片區(qū)塊鏈提出了一種激勵(lì)機(jī)制 Broker2Earn 協(xié)議，旨在吸引普通錢包用戶成為“做市商”賬戶，用戶可以通過質(zhì)押閑置通證賺取穩(wěn)定收益。此外，Broker2Earn方案為分片區(qū)塊鏈BrokerChain實(shí)現(xiàn)了去中心化金融（DeFi）的模塊，因?yàn)樽鍪猩藤~戶質(zhì)押的通證可以為分片區(qū)塊鏈系統(tǒng)提供流動(dòng)性，用于減少分片區(qū)塊鏈內(nèi)部的跨分片交易。
• 本文將 BrokerChain系統(tǒng)招募做市商賬戶的問題描述為一個(gè)優(yōu)化問題，目標(biāo)是最大化做市商收益的同時(shí)盡量減少跨分片交易的數(shù)量。為了解決這個(gè)NP-hard問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Relax-and-Rounding方法的online近似算法。該算法能夠在線實(shí)時(shí)運(yùn)行，并且本文對(duì)該算法進(jìn)行了嚴(yán)格的最優(yōu)性近似比證明分析。
• 作者在開源區(qū)塊鏈實(shí)驗(yàn)平臺(tái)BlockEmulator中實(shí)現(xiàn)了Broker2Earn協(xié)議，并使用以太坊的歷史交易進(jìn)行了廣泛的性能評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了Broker2Earn協(xié)議的有效性和實(shí)用性。

 

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論文2： Account Migration across Blockchain Shards using Fine-tuned Lock Mechanism

一、基本思路   

在一個(gè)分片區(qū)塊鏈中（如 BrokerChain），分片負(fù)載不均衡會(huì)對(duì)區(qū)塊鏈的性能造成影響。當(dāng)各分片處理交易的速度一致時(shí)，分片負(fù)載不均衡會(huì)導(dǎo)致一些擁擠的分片中有大量交易在等待被處理，而其他分片則處于空閑狀態(tài)，這樣就沒有很好地利用分片技術(shù)帶來的好處。

圖1  不同的賬戶分配方案產(chǎn)生不同的分片負(fù)載

 

而進(jìn)行賬戶重劃分是一個(gè)較為可行的解決上述挑戰(zhàn)的手段。賬戶重劃分是通過圖分割算法或社區(qū)檢測(cè)算法，將交互多的一批賬戶遷移到同一個(gè)分片可以降低跨分片交易比例，同時(shí)也可以達(dá)到分片負(fù)載均衡的效果。通過調(diào)研現(xiàn)有的區(qū)塊鏈分片相關(guān)的工作，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于分片區(qū)塊鏈的賬戶重劃分的研究尚處于很初始的階段，目前只發(fā)現(xiàn)有一篇論文提出了可行的賬戶遷移的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。然而在這個(gè)機(jī)制（叫做SOTA-Lock）中，賬戶在被遷移的過程中，賬戶的狀態(tài)數(shù)據(jù)會(huì)被鎖住，涉及到的交易將無法被系統(tǒng)及時(shí)處理，因此這些交易的確認(rèn)時(shí)延相對(duì)較長。本文展示我們提出的一種新的賬戶遷移的實(shí)現(xiàn)機(jī)制（叫做Fine-tune Lock），旨在減小賬戶遷移對(duì)關(guān)聯(lián)交易的影響。

在本文提出的Fine-tune Lock機(jī)制中，對(duì)于正在遷移中的賬戶，執(zhí)行扣錢操作的交易（Payer TX）仍然會(huì)被鎖住，不能被執(zhí)行；但收錢方的交易（Payee TX）可以被執(zhí)行。采用這種細(xì)粒度的鎖機(jī)制可以減輕賬戶遷移對(duì)其關(guān)聯(lián)交易的影響。

 

圖2. SOTA Lock 與所提出的 Fine-tune Lock 機(jī)制之間的對(duì)比。 ①: 觸發(fā)賬戶遷移，一個(gè)目標(biāo)賬戶從分片#1 遷移至分片 #2。 ②: 鎖階段開始。 ③: 將被遷移賬戶的舊狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到分片#2。

 

二、本文貢獻(xiàn)

• 本文提出了一種使用細(xì)粒度鎖的賬戶遷移協(xié)議（Fine-tune Lock），它可以減輕賬戶遷移對(duì)其關(guān)聯(lián)交易的影響。
• 為了實(shí)現(xiàn)賬戶遷移，本文設(shè)計(jì)了新的賬戶狀態(tài)和區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。并且對(duì)傳統(tǒng)的 relay transaction 機(jī)制進(jìn)行了修改，解決賬戶遷移過程中可能出現(xiàn)的安全漏洞。
• 我們?cè)谧孕虚_發(fā)的區(qū)塊鏈實(shí)驗(yàn)平臺(tái)blockEmulator上對(duì)賬戶遷移機(jī)制 Fine-tune Lock做了原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，并將其部署在騰訊云服務(wù)器中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在被遷移賬戶的關(guān)聯(lián)交易的確認(rèn)時(shí)延方面，本文提出的方法優(yōu)于 SOTA Lock方法。

 

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團(tuán)隊(duì)介紹

HuangLab 是中山大學(xué)軟件工程學(xué)院黃華威老師的研究組，專注于區(qū)塊鏈、Web3、元宇宙和分布式計(jì)算/協(xié)議等領(lǐng)域的研究。團(tuán)隊(duì)成員包括高級(jí)研究員、博士后研究員、碩士和博士研究生，他們?cè)趨^(qū)塊鏈技術(shù)的理論和應(yīng)用方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。HuangLab 的研究成果發(fā)表在頂級(jí)期刊和國際會(huì)議上，如IEEE/ACM ToN, JSAC, TPDS, TDSC, TMC等，團(tuán)隊(duì)成員還出版了《From Blockchain to Web3 & Metaverse》、《Blockchain Scalability》和《從區(qū)塊鏈到Web3: 構(gòu)建未來互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)》等區(qū)塊鏈相關(guān)書籍。微信公眾號(hào)：Huang-Lab

HuangLab 開發(fā)了BlockEmulator，這是一個(gè)區(qū)塊鏈實(shí)驗(yàn)工具，用于驗(yàn)證新的協(xié)議和機(jī)制，特別是區(qū)塊鏈分片協(xié)議。該工具支持以太坊歷史交易的回放，能自動(dòng)輸出實(shí)驗(yàn)日志文件，幫助研究人員收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制實(shí)驗(yàn)圖表。BlockEmulator以Go語言實(shí)現(xiàn)，支持定制化開發(fā)，適用于輕量級(jí)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建。BlockEmulator 主頁：https://www.blockemulator.com

HuangLab 的研究成果已在多個(gè)高水平國際會(huì)議上發(fā)表，并為區(qū)塊鏈研究領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。團(tuán)隊(duì)的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金等多個(gè)研究基金的支持。

HuangLab 致力于推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，爭(zhēng)取為區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。歡迎學(xué)術(shù)界的同行一起交流探討，歡迎工業(yè)界的朋友洽談合作。

研究組主頁：http://xintelligence.pro