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。     

基于信誉的区块链分片共识方案

分片是一种解决区块链扩容问题的技术,但是分片可能会导致恶意节点更容易集中在单个分片内,从而阻碍整个系统的安全运行。文中提出了一种基于信誉的区块链分片共识协议,通过建立信誉机制来衡量节点行为,促使节点遵循协议,并通过基于信誉等级的分片方法来减小各分片节点信誉等级分布的差异,防止恶意节点集中在单一分片进行作恶。提出一种验证链和记录链相结合的双链模型,该模型通过交易信息的差异化存储,在扩展区块链存储容量的同时提高了区块链的安全性。将投票份额与节点信誉相关联,同时差异化节点承诺,提出了基于信誉的快速拜占庭容错共识算法,使诚实节点更快达成共识,并减小恶意节点的影响。安全性分析表明,RCBSP能够保证分片内节点分布的合理性和共识过程的安全性,防止双花攻击、无利害关系攻击。实验结果表明,RBSCP在保证安全性的前提下,能够做到低分区时延、低共识时延和高吞吐量。     

基于门限秘密共享的区块链分片存储模型

针对存储原因所导致的区块链技术难以在大型业务场景应用的问题,提出了一种基于门限秘密共享的区块链分片存储模型。首先由共识节点使用改进的Shamir门限,将要上链的交易数据进行分片处理;其次,共识节点基于分片数据构造不同的区块,并分发给现存于区块链网络中的其他节点进行存储;最后,当节点要读取交易数据时,在从分发到交易数据分片的n个节点中的k个节点请求数据,并利用拉格朗日插值算法进行交易数据的恢复。实验结果表明,该模型在保证了上链数据安全性、可靠性、隐私性的同时,每个节点的数据存储量约为传统存储方法的1/（k-1）,从而有利于区块链技术在大型业务场景的应用。     

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。     

提升分片规模和有效性的多轮PBFT验证方案

分片技术是解决区块链扩容难题的可行方案,但存在分片规模与分片内验证有效性的矛盾：采用PBFT共识算法,即使总体拜占庭节点数占比不超过三分之一,单个分片内拜占庭节点占比也存在一定概率会超过三分之一,无法验证共识。针对该问题,提出多轮PBFT共识的改进方案,在提高分片规模的同时,保证分片内PBFT共识的验证有效性。总结了已知项目的解决方案并分析优缺点,详细分析了分片的有效共识验证,提出并论述了多轮验证方案,给出了拜占庭比例节点较高情况下多轮轮数的合理取值。基于实验得到的数据与现有方案进行对比,验证了多轮方案在提升整体TPS方面的有效性,为分片方案的进一步研究提供有益的参考。     

基于Raft算法改进的实用拜占庭容错共识算法

针对应用于联盟链的实用拜占庭容错（PBFT）共识算法可扩展性不足、通信开销大等问题,提出了一种基于Raft算法改进的实用拜占庭容错共识算法K-RPBFT。首先,将区块链分片,使用K-medoids聚类算法将所有节点划分为多个节点簇,每个节点簇构成一个分片,从而将全局共识改进为分层次的多中心共识;然后,每个分片的聚类中心节点之间使用PBFT算法进行共识,而在分片内部使用基于监督节点改进的Raft算法进行共识。K-RPBFT算法的片内监督机制赋予了Raft算法一定的拜占庭容错能力,并提升了算法的安全性。实验分析表明,相较于PBFT算法,K-RPBFT算法在具备拜占庭容错能力的同时能够大幅降低共识的通信开销与共识时延,提升共识效率与吞吐量,并且具有良好的可扩展性与动态性,使联盟链能够应用于更广泛的场景中。     

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。     

面向工业互联网的区块链分层分片研究

区块链的不可篡改、去中心化等特点能够有效解决工业互联网中日益突出的安全和隐私问题，然而当前主流区块链平台的吞吐量远不能满足工业互联网海量数据快速上链的需求，并且传统区块链采用的高冗余存储机制也无法适用于工业互联网场景。建立分层分片区块链架构，将区块数据分层存储在多个分布式云服务器和边缘服务器中，以应对工业互联网不断增长的数据量。依据边缘服务器之间的拓扑结构，设计一种基于复杂网络社团划分算法的改进区块链网络分片算法，在提升区块链网络吞吐量的同时缩短分片时间。将区块广播过程形式化为生成树论证了区块广播时间对吞吐量的影响，在此基础上提出一种基于生成树的片内主节点选取算法，进一步提升区块链网络的吞吐量。实验结果表明，与经典复杂网络社团划分算法相比，改进的区块链网络分片算法在对大规模网络进行分片时能够在不牺牲分片质量的前提下缩短约36%的分片时间，同时减少了各分片内区块的广播时间。     

基于信任的双层可拓展共识协议

共识机制作为区块链技术的核心,决定了区块链系统的性能、可拓展性和安全性.针对当前区块链的性能、可拓展性问题以及维护系统安全所采用的激励机制成本高的问题,提出一种基于信任的双层可拓展共识协议(Trust-based Dual-layer Scalable Consensus Protocol,TDSCP).首先,通过结构化网络设计了双层协同的信任模型和共识算法,其中,信任模型根据节点信任值决定其能否获得生成区块的权利,避免了高昂的挖矿代价;其次,通过分区内双层共识算法提高共识效率,拓展了参与共识的节点数量,避免了系统中心化问题;最后,结合可验证随机函数和多级图划分算法对节点进行分区,可有效防止恶意节点聚集,减少跨分区交易的数量.实验结果表明,TDSCP提高了区块链系统的可拓展性,其分区内算法共识时延较低,且分区方法明显减少了跨分区交易的数量.     

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%。     

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。     

Efficient Blockchain-Empowered Data Sharing Incentive Scheme for Internet of Things

In recent years, with many devices continuously joining the Internet of Things (IoT), data sharing as the main driver of the IoT market has become a research hotspot. However, the users are reluctant to participate in data sharing due to security concerns and lacking incentive mechanisms in the current IoT. In this context, blockchain is introduced into the data sharing of IoT to solve the trust problem of users and provide secure data storage. However, in the exploration of building a secure distributed data sharing system based on the blockchain, how to break the inherent performance bottleneck of blockchain is still a major challenge. For this reason, the efficient blockchain-based data sharing incentive scheme is studied for IoT. In the scheme, an efficient data sharing incentive framework based on blockchain is proposed, named ShareBC. Firstly, ShareBC uses sharding technology to build asynchronous consensus zones that can process data sharing transactions in parallel and deploy efficient consensus mechanisms on the cloud/edge servers and asynchronous consensus zones in sharding, thus improving the processing efficiency of data sharing transactions. Then, a sharing incentive mechanism based on a hierarchical data auction model implemented by a smart contract is presentedto encourage IoT users to participate in data sharing. The proposed mechanism can solve the problem of multi-layer data allocation involved in IoT data sharing and maximize the overall social welfare. Finally, the experimental results show that the proposed scheme is economically efficient, incentive-compatible, and real-time, with scalability, low cost, and good practicability.     

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.     

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.     

星型区块链架构的TKM分片算法

区块链系统的通量严重不足,而解决此问题最有效的一类方案是并行化处理,并行化方案主要为星型架构,当前星型架构对系统中节点的分片方式多为账户随机分片,这种分片方式的系统通量仍然不足。针对此问题,提出了一种基于星型结构的TKM分片算法,该算法将原始K-means聚类算法进行改进,并运用在节点分片上。TKM分片算法将聚类算法与区块链的网络分片技术相结合,使节点根据地理位置进行分片,极大提高邻近节点发生的交易为片内交易的概率,从而提高系统通量,同时在原始算法的基础上引入了时间戳,减少了恶意节点的攻击。仿真实验表明该算法与传统的随机分片算法相比,最大系统通量提高了20%。根据上述通量模型,通过实验得出基于TKM算法的星型区块链系统的最优分片数量。     

基于区块链的云计算数据共享系统研究

云计算用户通过云平台进行数据共享时面临数据不可控和敏感数据泄露的风险,传统通过数据加密上云的方式在灵活性和执行效率方面存在弊端。借助区块链的去中心化共识和不可篡改等特点,提出了基于区块链的模型和实现方案。采用私链与公链双层结构,通过元数据按规范查询和解析数据,查询结果可验证。数据在私链中存储,公链中存储私链块头,计算通过智能合约进行,只返回数据结果,数据不会泄露给第三方。数据加密采用基于身份的公钥加密算法,无需进行公钥证书认证,确保加密性能。仿真结果表明,所提方案具有可行性。通过“金融超市”这一典型的云数据共享场景作为应用实例进一步验证了系统的有效性。