利用状态归约处理跨分片交易的多轮验证方案

在区块链系统中, 分片是主要的链上扩容方案, 其中的状态分片可以在不降低安全性的前提下解决公链可扩展性问题. 但是, 分片技术的引入, 又带来了处理跨分片交易验证的难题, 当系统内大多数交易为跨分片交易时, 跨分片交易的处理能力决定了整个系统的性能. 因此, 在设计分片系统的过程中, 跨分片交易验证和处理策略至关重要. 针对上述问题, 提出了利用状态归约处理跨分片交易的多轮验证方案SRMR (state reduction and multi-round). 首先对跨分片交易的概率进行分析, 然后提出利用状态归约处理跨分片交易方案, 并在此模型下分析各层处理跨分片交易的概率, 分析出仅用状态归约模型会使上层分片处理交易负载过大. 为均衡上层交易负载的问题, 又提出激励机制并将状态归约与多轮验证相结合, 最后得出合理轮数取值并提出了一种合理平衡归约与多轮验证的策略. 此方案综合利用节点的能力, 力保跨分片交易的顺利完成, 降低跨分片交易回滚率.     

BETASCO: 面向智能合约分片的联盟区块链系统

基于区块链的去中心化应用已在加密数字货币、云存储、物联网等多个领域提供健壮、可信且持久的服务, 然而区块链的吞吐能力难以满足去中心化应用日益增长的性能需求. 分片是当前主流的区块链性能优化技术, 但现有的区块链分片主要面向用户和用户之间的转账交易, 并不完全适用于以智能合约调用交易为主的去中心化应用. 针对此问题, 设计并实现面向智能合约分片的联盟区块链系统BETASCO. BETASCO为每个智能合约提供一个分片作为独立执行环境, 通过基于分布式散列表的合约定位服务将交易路由至目标智能合约所在的分片, 并通过智能合约间的异步调用机制满足跨智能合约的通信和协作需求. BETASCO通过节点虚拟化允许一个节点加入多个分片, 支持同一组节点上多个智能合约的并行执行. 实验结果表明, BETASCO整体吞吐能力可随智能合约数量的增加而线性增长, 且执行单个智能合约的吞吐能力与HyperLedger Fabric相当.     

区块链分片技术综述

区块链作为分布式账本的关键技术之一,其去中心化、可匿名、不可篡改的特性受到学术界和工业界的青睐,被广泛应用于金融、数字货币、公共服务等领域。分片技术作为区块链扩容的主流方式之一,能够在不降低区块链去中心化程度的同时实现高性能的链上扩容,从而解决区块链可拓展性不足以及吞吐量较低的问题。介绍近年来出现的分片技术以及相关协议,总结分片技术的关键理论与方法,从分片配置、重配置、片内共识协议、跨片共识协议、状态存储等方面对分片技术方案进行对比,归纳不同分片方案在网络分片、交易分片、状态分片等设计中存在的优势和不足。同时,阐述一些经典分片技术在性能和实现方式上的特点,对许可区块链和无许可区块链、片内共识协议、跨片共识协议、准入性方案、状态分片方式等进行分析和概述。在此基础上,从分片内、分片间以及系统层级的角度总结分片技术当前所面临的困境和挑战,并对该领域的发展前景及未来研究方向加以展望。     

面向Hyperledger Fabric的SQL访问框架

区块链技术具有去中心化、不可篡改、可追溯等优势,已经在各领域得到广泛应用.但区块链作为一项前沿技术,存在开发难度大、学习成本高等问题,且大多数开发者更熟悉基于关系型数据库的应用开发方法,即通过SQL操作关系型数据库.Hyperledger Fabric是目前最为主流的区块链开发框架.针对此问题,文中提出了一种面向Hyperledger Fabric的SQL访问框架.首先,针对Fabric和SQL底层存储结构不一致的问题,定义了关系模型至键值模型的转换规则,实现了模型转换算法;然后,基于智能合约技术开发了 SQL执行合约,实现了 SQL语句向底层状态数据库CouchDB操作语句的自动转换,进而操作Fabric底层的数据;最后,从应用层开发的角度,设计了应用自动化重构工具,工具包含两个部分,分别是应用重构工具和区块链网络的交互中间件Fabric-Driver.实验结果表明,相比现有方案,使用所提框架开发区块链应用能节省82％左右的时间,且使用此框架降低的读写性能仅有5％左右.     

基于改进哈希时间锁的区块链跨链资产交互协议

区块链是近年来炙手可热的技术话题之一,与其相关的研究理论正在不断丰富。然而,距离区块链技术落地仍面临着吞吐量小、处理效率低的关键问题。针对该问题,跨链技术作为一种有潜力,同时具备扩大吞吐量处理能力、提升处理效率的区块链技术而被广泛关注。文中给出了一种基于改进哈希时间锁的跨链资产交互协议(A Novel Hash-Time-Lock-Contract Based Cross-Chain Token Swap Mechanism, NCASP),创造性地为Fabric区块链引入账户体系,融合智能合约技术实现了在以太坊和Fabric联盟链网络之间的安全无缝资产交换。NCASP协议在每笔HTLC(Hash Time Lock Contract)转账中设置了不同的中间账户进行资产托管和转移,并在交易完成后及时销毁,使得在原有跨链交易速率不变的同时,保证了交易的安全性。通过对协议进行仿真模拟表明,该协议适用于以Fabric为代表的联盟链与比特币以及以以太坊为代表的公链,无需第三方区块链介入,即可实现高效安全的跨链资产交换,且在交易效率上比BSN(Blockchain Service Network...     

基于自定义日志的Fabric的共识交易轨迹可视化追踪方法

联盟链缺少展示各个节点资源使用情况、健康状态、互相关系、共识交易流程等方面的可视化方法,为此提出一种基于自定义日志的Fabric共识交易轨迹追踪方法（FTL）。首先,以典型联盟链框架Hyperledger Fabric为基础设施实现区块链底层构建;然后,利用ELK工具链收集与解析Fabric的自定义共识交易日志,并利用Spring Boot作为业务逻辑处理框架;最后,采用专注于图分析领域的Graphin实现共识交易轨迹的可视化。实验结果表明,与原生Fabric应用相比,基于FTL的Fabric的应用框架在实现可视化追踪基础后,平均性能仅下降了8.8%,未造成显著延迟,可以为监管方提供更加智能的区块链监管方案。     

基于跳跃Hash和异步共识组的区块链动态分片模型

区块链系统的实现方案普遍存在性能和容量上的缺陷,使其无法取得更广泛的普及和应用。分片被视为最有可能解决区块链瓶颈的技术,然而目前主流的实现方案普遍存在牺牲去中心化或者安全性来提升性能的问题。基于现有分片技术的研究,文中提出了基于跳跃Hash和动态权重的分片构建算法,该算法满足高效性、公平性、自适应性等特点,网络分片效率对比以太坊提升了8%,分片数量动态增减时节点迁移的工作量对比以太坊降低了25%;同时引入了异步共识组机制,提升了分片的交易安全性,能够有效处理跨分片交易。理论分析和实验证明,基于跳跃Hash和异步共识组的区块链动态分片模型的最大交易性能可达5000笔每秒。     

支持国密算法的区块链交易数据隐私保护方案

随着区块链技术的发展,链上数据共享越来越重要。当前区块链交易数据在链上公开透明,存在隐私数据共享受限问题,而且Hyperledger Fabric平台缺乏国密算法的支持,在国内应用中受限。文章首先采用国密算法改造Hyperledger Fabric平台；然后提出交易数据隐私保护方案,以国密算法完成对交易数据的安全和限时共享；最后对改造的Hyperledger Fabric平台和提出的方案做系统实现和性能测试。实验结果表明,文章方法实现了对Hyperledger Fabric平台的国密改造,该方案的执行效率和系统性能均满足实际需求。     

状态分片中交易过载处理的节点竞选方案

分片技术是目前最有效的实现高性能而不降低去中心化程度的区块链扩容方案,仅实现交易分片并不能解决实质问题,只有状态分片才能从根本上解决区块链资源瓶颈问题。针对区块链状态分片随机分配交易产生的交易过载问题,提出状态分片约束下交易过载处理的多轮节点竞选均衡化验证方案。将分片内的交易验证分为多轮,在每轮验证完成后根据节点通信能力和节点共识表现进行综合积分,并确认分片的交易过载情况,进而在下一轮验证中增强分片的处理能力。考虑到状态分片约束下节点在分片之间不能随意调度,利用节点竞选策略将分片内的节点在不同轮次之间均衡使用,在提升分片规模和有效性的基础上,充分发挥高性能节点的优势,使得过载交易在后续轮次得到及时的验证。实验表明,方案可以有效处理分片内交易过载,提高分片内的交易验证率,提升系统的每秒交易数（transaction per second,TPS）,为分片的进一步研究提供有益的参考。     

基于星火区块链的跨链机制

针对当前区块链技术飞速发展的过程中,不同区块链之间相对孤立,数据不能交互共享的问题,提出一种基于星火区块链的跨链机制.首先,对常见跨链技术和当前主流跨链项目作了分析,研究了不同技术和项目的实现原理,并总结了它们的区别和优缺点;然后,利用主子链模式的区块链架构,设计了智能合约组件、交易校验组件、交易超时组件等关键核心组件...     

降低跨分片交易回滚概率的多轮验证方案

区块链分片方案中的跨分片交易由多个分片协调处理。在采用实用拜占庭容错（practical Byzantine fault tolerance,PBFT）类共识算法的分片方案中,存在因分片后拜占庭节点在单个分片聚集,导致分片失效无法验证交易的问题。因此,为保证分片间数据的一致性,需要对部分处理的跨分片交易进行回滚操作,这影响了系统的总体性能。针对以上问题,提出了一种多轮共识的验证方案,可以在降低回滚概率的基础上,支持更大分片规模,提升系统的每秒交易数（transaction per second,TPS）。简述了现有分片项目解决方案的优缺点,对跨分片交易的概率和回滚概率进行了分析,提出多轮共识的验证方案,分析了多轮方案对跨片交易回滚概率的影响,得出合理的多轮轮数上限值。通过与现有方案的对比实验表明,多轮验证方案可以有效提升交易验证率,降低跨片交易回滚的概率,提升系统总体的TPS。     

Building blocks of sharding blockchain systems: Concepts,approaches, and open problems

Sharding is the prevalent approach to breaking the trilemma of simultaneously achieving decentralization, security, and scalability in traditional blockchain systems, which are implemented as replicated state machines relying on atomic broadcast for consensus on an immutable chain of valid transactions. Sharding is to be understood broadly as techniques for dynamically partitioning nodes in a blockchain system into subsets (shards) that perform storage, communication, and computation tasks without fine-grained synchronization with each other. Despite much recent research on sharding blockchains, much remains to be explored in the design space of these systems. Towards that aim, we conduct a systematic analysis of existing sharding blockchain systems and derive a conceptual decomposition of their architecture into functional components and the underlying assumptions about system models and attackers they are built on. The functional components identified are node selection, epoch randomness, node assignment, intra-shard consensus, cross-shard transaction processing, shard reconfiguration, and motivation mechanism. We describe interfaces, functionality, and properties of each component and show how they compose into a sharding blockchain system. For each component, we systematically review existing approaches, identify potential and open problems, and propose future research directions. We focus on potential security attacks and performance problems, including system throughput and latency concerns such as confirmation delays. We believe our modular architectural decomposition and in-depth analysis of each component, based on a comprehensive literature study, provides a systematic basis for conceptualizing state-of-the-art sharding blockchain systems, proving or improving security and performance properties of components, and developing new sharding blockchain system designs.     

一种基于双链模型的分区共识协议

针对目前分区模型中区块链的存储容量不能随着分区的增加而同步扩展以及分区算法存在的安全性问题,提出一种基于双链模型的分区共识协议(dual blockchain-based sharding consensus protocol,DB-SCP)。首先通过基于哈希链和交易链的双链分区存储模型来设计验证信息共享机制和交易差异化存储机制,实现了区块链的存储容量随分区的增多而同步增加;其次,采用基于节点投票份额的分区方法将节点权益拆分到不同的分区,有效防止了分区中权益过多节点的出现;最后采用VRF函数改进分区内共识算法,保证了验证者选取的随机性,且使用密钥演变技术保证了交易的前向安全性。安全性分析表明,基于投票份额的分区方式既稳定又安全,实验结果表明该协议有着良好的性能优势,存储容量较传统区块链模型提升了30%~70%。     

基于赋权交易模型的区块链技术的档案管理研究

为了保障电子档案管理的安全性,基于赋权交易模型的区块链技术对档案管理进行研究。首先建立一个基于区块链技术的框架,具有通用性、易维护性和易搭建性等特点;然后,由于UTXO模型没有解决非确定数值的交易,故针对档案特性对区块链交易中使用的UTXO模型进行改进,提出ET(赋权交易)模型;由于档案管理需要高成本以及高时效性,故采用Fabric的联盟链作为区块生成的方法,以此来降低成本、提高性能。仿真实验结果表明,基于赋权交易模型的区块链技术大大提升了档案管理的稳定性及可用性。     

区块链赋能的高效物联网数据激励共享方案

近年来,随着大量设备不断地加入物联网中,数据共享作为物联网市场的主要驱动因素成为了研究热点.然而,当前的物联网数据共享存在着出于安全顾虑和缺乏激励机制等原因导致用户不愿意参与共享数据的问题.在此背景下,区块链技术为解决用户的信任问题和提供安全的数据存储被引入到物联网数据共享中.然而在构建基于区块链的安全分布式数据共享系统的探索中,如何突破区块链固有的性能瓶颈仍然是一个关键挑战.为此,本文研究了基于区块链的高效物联网数据激励共享方案.该方案首先提出了一个高效的区块链物联网数据激励共享框架,称为ShareBC.ShareBC利用分片技术构建能够并行处理数据共享交易的异步共识区,并在云/边缘服务器上和分片异步共识区上部署高效的共识机制,从而提高数据共享交易的处理效率.然后,为激励物联网用户参与数据共享,提出了一种基于智能合约实现的层次数据拍卖模型的共享激励机制.该机制解决了物联网数据共享中涉及的多层数据分配有效性问题,能够最大限度地提高整体社会福利.最后,实验结果证明了该方案的经济效益、激励兼容性和实时性以及可扩展性,且具有较低的计算成本和良好的实用性.