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2023年12月1日，INFOCOM’24 結果公布，中山大學軟件工程學院黃華威研究組 (HuangLab) 兩篇區塊鏈分片機制的論文被接收。INFOCOM 全稱為 IEEE International Conference on Computer Communications, 是國際上公認的計算機網絡領域頂級會議、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，中山大學軟件工程學院博士一年級同學。陳同學的研究方向為高性能區塊鏈系統。自從2022年加入 HuangLab 之后，陳欽德參與了 HuangLab 多項重要任務，如參與開發開源區塊鏈實驗平臺 BlockEmulator (https://www.blockemulator.com)，負責研究 BrokerChain 分片區塊鏈的激勵機制 (即本篇論文提出的方案 Broker2Earn)。

論文2的二作為林岳，中山大學計算機學院碩士3年級同學。自從2021年加入 HuangLab，林岳同學參與了BlockEmulator 早期版本的開發，負責研究 BrokerChain 分片區塊鏈的賬戶遷移機制。

 

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兩篇論文的背景簡介

這兩篇論文是繼發表在 INFOCOM'22 年 BrokerChain (BrokerChain: A Cross-Shard Blockchain Protocol for Account/Balance-based State Sharding) 的后續擴展工作。BrokerChain發表之后，HuangLab負責人黃老師提出了一個設想：HuangLab要將 BrokerChain完善為一個高性能分片區塊鏈系統，而且還要基于 BrokerChain 開發一個去中心化金融(DeFi)應用 (后來命名為 BrokerFi)。至今，這三篇重要論文構建了 BrokerFi 的后端基礎：BrokerChain [INFOCOM'22] 實現了初代分片區塊鏈系統，Broker2Earn [INFOCOM'24] 描述了 BrokerFi 的經濟模型，林岳同學設計了 BrokerChain 系統中賬戶遷移機制 [INFOCOM'24]。此外，HuangLab的技術指導老師林建入帶領其他幾位同學開發出了前端錢包 BrokerFi wallet。不久的將來，我們將嘗試將 BrokerFi 項目落地并推廣。

Broker-Fi 的整體設計框架

 

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兩篇論文內容簡介

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

一、基本思路   

分片是保持區塊鏈去中心化特性同時提高區塊鏈可擴展性的一種可行的技術路線。區塊鏈分片的基本思想是將所有區塊鏈節點分成幾個分片，每個分片并行處理交易。因此，分片技術可以大大提高區塊鏈網絡的吞吐量，并減小交易確認時延。然而，分片技術的引入也帶來了新的挑戰。首先，在狀態分片中（即每個分片維護不同賬戶的狀態），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，與之相反的是片內交易。跨分片交易的處理往往比片內交易更加耗時，因此高比例的跨分片交易會對區塊鏈可擴展性造成影響。

BrokerChain [INFOCOM’22] 協議的一個基本出發點是：“做市商賬戶(broker account)”可以提供通證給分片區塊鏈使用，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“片內交易(intra-shard transactions)”。如圖1所示，broker 賬戶為分片區塊鏈提供的質押通證可以被視為系統“流動性”。但是 BrokerChain未解決一個關鍵的問題是：如何有效地吸引足夠多的做市商賬戶參與到 BrokerChain分片區塊鏈的生態。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。

針對以上挑戰，本文設計了Broker2Earn協議 [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。該協議有兩個目標：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“隨機舍入”技術設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 協議作為一個 DeFi產品推向市場。

 

二、本文貢獻

• 本文為分片區塊鏈提出了一種激勵機制 Broker2Earn 協議，旨在吸引普通錢包用戶成為“做市商”賬戶，用戶可以通過質押閑置通證賺取穩定收益。此外，Broker2Earn方案為分片區塊鏈BrokerChain實現了去中心化金融（DeFi）的模塊，因為做市商賬戶質押的通證可以為分片區塊鏈系統提供流動性，用于減少分片區塊鏈內部的跨分片交易。
• 本文將 BrokerChain系統招募做市商賬戶的問題描述為一個優化問題，目標是最大化做市商收益的同時盡量減少跨分片交易的數量。為了解決這個NP-hard問題，本文設計了一個基于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行了嚴格的最優性近似比證明分析。
• 作者在開源區塊鏈實驗平臺BlockEmulator中實現了Broker2Earn協議，并使用以太坊的歷史交易進行了廣泛的性能評估。實驗結果證實了Broker2Earn協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   

在一個分片區塊鏈中（如 BrokerChain），分片負載不均衡會對區塊鏈的性能造成影響。當各分片處理交易的速度一致時，分片負載不均衡會導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，這樣就沒有很好地利用分片技術帶來的好處。

圖1  不同的賬戶分配方案產生不同的分片負載

 

而進行賬戶重劃分是一個較為可行的解決上述挑戰的手段。賬戶重劃分是通過圖分割算法或社區檢測算法，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，同時也可以達到分片負載均衡的效果。通過調研現有的區塊鏈分片相關的工作，我們發現對于分片區塊鏈的賬戶重劃分的研究尚處于很初始的階段，目前只發現有一篇論文提出了可行的賬戶遷移的實現機制。然而在這個機制（叫做SOTA-Lock）中，賬戶在被遷移的過程中，賬戶的狀態數據會被鎖住，涉及到的交易將無法被系統及時處理，因此這些交易的確認時延相對較長。本文展示我們提出的一種新的賬戶遷移的實現機制（叫做Fine-tune Lock），旨在減小賬戶遷移對關聯交易的影響。

在本文提出的Fine-tune Lock機制中，對于正在遷移中的賬戶，執行扣錢操作的交易（Payer TX）仍然會被鎖住，不能被執行；但收錢方的交易（Payee TX）可以被執行。采用這種細粒度的鎖機制可以減輕賬戶遷移對其關聯交易的影響。

 

圖2. SOTA Lock 與所提出的 Fine-tune Lock 機制之間的對比。 ①: 觸發賬戶遷移，一個目標賬戶從分片#1 遷移至分片 #2。 ②: 鎖階段開始。 ③: 將被遷移賬戶的舊狀態數據發送到分片#2。

 

二、本文貢獻

• 本文提出了一種使用細粒度鎖的賬戶遷移協議（Fine-tune Lock），它可以減輕賬戶遷移對其關聯交易的影響。
• 為了實現賬戶遷移，本文設計了新的賬戶狀態和區塊的數據結構。并且對傳統的 relay transaction 機制進行了修改，解決賬戶遷移過程中可能出現的安全漏洞。
• 我們在自行開發的區塊鏈實驗平臺blockEmulator上對賬戶遷移機制 Fine-tune Lock做了原型系統的實現，并將其部署在騰訊云服務器中。實驗結果表明，在被遷移賬戶的關聯交易的確認時延方面，本文提出的方法優于 SOTA Lock方法。

 

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團隊介紹

HuangLab 是中山大學軟件工程學院黃華威老師的研究組，專注于區塊鏈、Web3、元宇宙和分布式計算/協議等領域的研究。團隊成員包括高級研究員、博士后研究員、碩士和博士研究生，他們在區塊鏈技術的理論和應用方面具有豐富的經驗。HuangLab 的研究成果發表在頂級期刊和國際會議上，如IEEE/ACM ToN, JSAC, TPDS, TDSC, TMC等，團隊成員還出版了《From Blockchain to Web3 & Metaverse》、《Blockchain Scalability》和《從區塊鏈到Web3: 構建未來互聯網生態》等區塊鏈相關書籍。微信公眾號：Huang-Lab

HuangLab 開發了BlockEmulator，這是一個區塊鏈實驗工具，用于驗證新的協議和機制，特別是區塊鏈分片協議。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據并繪制實驗圖表。BlockEmulator以Go語言實現，支持定制化開發，適用于輕量級區塊鏈系統的實驗平臺搭建。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表，并為區塊鏈研究領域做出了重要貢獻。團隊的研究工作得到了國家自然科學基金等多個研究基金的支持。

HuangLab 致力于推動區塊鏈技術的創新和應用，爭取為區塊鏈技術的發展和廣泛應用做出貢獻。歡迎學術界的同行一起交流探討，歡迎工業界的朋友洽談合作。

研究組主頁：http://xintelligence.pro