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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)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域頂級會議、CCF-A類國際會議，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)院博士一年級同學(xué)。陳同學(xué)的研究方向為高性能區(qū)塊鏈系統(tǒng)。自從2022年加入 HuangLab 之后，陳欽德參與了 HuangLab 多項重要任務(wù)，如參與開發(fā)開源區(qū)塊鏈實驗平臺 BlockEmulator (https://www.blockemulator.com)，負(fù)責(zé)研究 BrokerChain 分片區(qū)塊鏈的激勵機(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)計算機(jī)學(xué)院碩士3年級同學(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設(shè)想：HuangLab要將 BrokerChain完善為一個高性能分片區(qū)塊鏈系統(tǒng)，而且還要基于 BrokerChain 開發(fā)一個去中心化金融(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 項目落地并推廣。

Broker-Fi 的整體設(shè)計框架

 

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兩篇論文內(nèi)容簡介

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)點分成幾個分片，每個分片并行處理交易。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，因此高比例的跨分片交易會對區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性造成影響。

BrokerChain [INFOCOM’22] 協(xié)議的一個基本出發(fā)點是：“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)“流動性”。但是 BrokerChain未解決一個關(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)。在沒有足夠的激勵時，普通用戶沒有意愿成為 broker 并主動為分片區(qū)塊鏈提供流動性。此外，即使用戶提供了大量流動性，如何有效地利用這些流動性來最大化地處理跨分片交易是另一個挑戰(zhàn)。

針對以上挑戰(zhàn)，本文設(shè)計了Broker2Earn協(xié)議 [INFOCOM’24] ，旨在為 BrokerChain 提供一個可以吸引普通用戶資源成為 broker 角色的激勵方案。該協(xié)議有兩個目標(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 maximization problem，并且證明該最大化問題是一個NP-hard問題。為了解決這個問題，本文采用“隨機(jī)舍入”技術(shù)設(shè)計了一種近似在線算法，保證了Broker2Earn的實用性。未來，作者計劃將 Broker2Earn 協(xié)議作為一個 DeFi產(chǎn)品推向市場。

 

二、本文貢獻(xiàn)

• 本文為分片區(qū)塊鏈提出了一種激勵機(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實現(xiàn)了去中心化金融（DeFi）的模塊，因為做市商賬戶質(zhì)押的通證可以為分片區(qū)塊鏈系統(tǒng)提供流動性，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優(yōu)化問題，目標(biāo)是最大化做市商收益的同時盡量減少跨分片交易的數(shù)量。為了解決這個NP-hard問題，本文設(shè)計了一個基于Relax-and-Rounding方法的online近似算法。該算法能夠在線實時運行，并且本文對該算法進(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)塊鏈實驗平臺BlockEmulator中實現(xiàn)了Broker2Earn協(xié)議，并使用以太坊的歷史交易進(jìn)行了廣泛的性能評估。實驗結(jié)果證實了Broker2Earn協(xié)議的有效性和實用性。

 

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

一、基本思路   

在一個分片區(qū)塊鏈中（如 BrokerChain），分片負(fù)載不均衡會對區(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，分片負(fù)載不均衡會導(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)檢測算法，將交互多的一批賬戶遷移到同一個分片可以降低跨分片交易比例，同時也可以達(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現(xiàn)機(jī)制。然而在這個機(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)會被鎖住，涉及到的交易將無法被系統(tǒng)及時處理，因此這些交易的確認(rèn)時延相對較長。本文展示我們提出的一種新的賬戶遷移的實現(xiàn)機(jī)制（叫做Fine-tune Lock），旨在減小賬戶遷移對關(guān)聯(lián)交易的影響。

在本文提出的Fine-tune Lock機(jī)制中，對于正在遷移中的賬戶，執(zhí)行扣錢操作的交易（Payer TX）仍然會被鎖住，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)制之間的對比。 ①: 觸發(fā)賬戶遷移，一個目標(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其關(guān)聯(lián)交易的影響。
• 為了實現(xiàn)賬戶遷移，本文設(shè)計了新的賬戶狀態(tài)和區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。并且對傳統(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。
• 我們在自行開發(fā)的區(qū)塊鏈實驗平臺blockEmulator上對賬戶遷移機(jī)制 Fine-tune Lock做了原型系統(tǒng)的實現(xiàn)，并將其部署在騰訊云服務(wù)器中。實驗結(jié)果表明，在被遷移賬戶的關(guān)聯(lián)交易的確認(rèn)時延方面，本文提出的方法優(yōu)于 SOTA Lock方法。

 

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團(tuán)隊介紹

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、元宇宙和分布式計算/協(xié)議等領(lǐng)域的研究。團(tuán)隊成員包括高級研究員、博士后研究員、碩士和博士研究生，他們在區(qū)塊鏈技術(shù)的理論和應(yīng)用方面具有豐富的經(jīng)驗。HuangLab 的研究成果發(fā)表在頂級期刊和國際會議上，如IEEE/ACM ToN, JSAC, TPDS, TDSC, TMC等，團(tuán)隊成員還出版了《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：Huang-Lab

HuangLab 開發(fā)了BlockEmulator，這是一個區(qū)塊鏈實驗工具，用于驗證新的協(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，能自動輸出實驗日志文件，幫助研究人員收集實驗數(shù)據(jù)并繪制實驗圖表。BlockEmulator以Go語言實現(xiàn)，支持定制化開發(fā)，適用于輕量級區(qū)塊鏈系統(tǒng)的實驗平臺搭建。BlockEmulator 主頁：https://www.blockemulator.com

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

HuangLab 致力于推動區(qū)塊鏈技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，爭取為區(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