可扩展的区块链双层分片架构的研究

作     者：刘俊伦 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：万胜刚

授予年度：2023年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 

主      题：区块链 分片 双层架构 欺诈证明 智能合约 

摘      要：区块链作为Web3.0的基础设施,有望在金融与实体产业中发挥重大作用,在多个领域极具应用价值,但其可扩展性问题严重。分片是提升区块链可扩展性的有效方法之一,而大多分片区块链中的节点仅维护记录分片相关交易的单层链,处理跨片交易和重组时引入昂贵开销,且对恶意节点的容忍度较低,故限制了其广泛应用。基于乐观假设:“在具有严厉惩罚机制的系统中,绝大多数的参与者没有作恶动机,即恶意事件是低频的,设计并实现一种名为层片链的区块链系统,以提高区块链的可扩展性。层片链使用双层分片架构,由主链和相互隔离的分片链组成。分片链负责处理和存储与其对应分片相关的交易,跨片交易经过聚合后与分片状态一并存储于主链上,即主链仅保存分片的聚合状态而非所有节点状态。当恶意事件发生时,分片中的节点可提交欺诈证明,通过调用运行于主链上的智能合约触发主链共识来惩罚攻击者。在乐观假设下,由于仅需保存分片状态和恶意事件低频性的特点,系统得以支持较大规模的主链,进而提升整体的安全性。由于主链提供了足够的安全保障,层片链不再需要通过频繁重组来获得较高的抗共谋能力,从而提升了其可扩展性。基于Harmony和以太坊实现了层片链原型,使用以太坊真实工作负载验证了其的可扩展性。实验结果表明,层片链的吞吐量具有近似的线性可扩展性,分片数量为8时,可达3510 TPS,比以太坊提升了约233倍,比目前较优的分片方案之一Rapid Chain提升了11.93%。层片链将全网交易数据划分到每个分片链中,只引入极小的主链开销,使得节点的总存储开销很小,与相似网络规模下的Rapid Chain相比,降低了34.03%。使用举报机制后,32个分片时层片链的分片失败概率相较于其他分片方案低7个数量级。