基于節(jié)點(diǎn)屬性分片的區(qū)塊鏈研究設(shè)計(jì)

趙鵬 梁晉銘 劉佳寶

摘? 要：區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易處理能力較弱使其無(wú)法廣泛應(yīng)用，分片是在不降低去中心化程度情況下解決區(qū)塊鏈瓶頸的最佳技術(shù)，但目前主流的分片方案存在犧牲安全性來(lái)提升性能的問題。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有分片方案進(jìn)行研究，提出了基于節(jié)點(diǎn)屬性的分片方案，根據(jù)節(jié)點(diǎn)屬性和節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配方法開展了網(wǎng)絡(luò)分片、交易分片和狀態(tài)分片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于節(jié)點(diǎn)屬性分片的區(qū)塊鏈系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)安全的條件下提升了交易處理能力。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；擴(kuò)展性；節(jié)點(diǎn)屬性；分片技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP311? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）04-0029-04

Research and Design of Blockchain Based on Node Attribute Fragmentation

ZHAO Peng， LIANG Jinming， LIU Jiabao

（Taiyuan Normal University， Jinzhong? 030619， China）

Abstract： The weak transaction processing capability of blockchain system makes it unable to be widely used. Fragmentation is the best technology to solve the blockchain bottleneck without reducing the degree of decentralization. However， the current mainstream fragmentation scheme has the problem of improving performance at the expense of security. Based on the research of existing fragmentation schemes， a fragmentation scheme based on node attributes is proposed. According to node attributes and node random allocation method， network fragmentation， transaction fragmentation and state fragmentation are carried out. The experimental results show that the blockchain system based on node attribute fragmentation improves the transaction processing ability under the condition of meeting the system security.

Keywords： blockchain; extensibility; node attribute; fragmentation technology

0? 引? 言

區(qū)塊鏈在交易處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面難以與中心化應(yīng)用媲美，為了提高區(qū)塊鏈的交易處理能力和可擴(kuò)展性，一些學(xué)者提出運(yùn)用分片技術(shù)來(lái)提升區(qū)塊鏈的性能。Luu[1]等人提出第一個(gè)公有鏈分片協(xié)議Elastico，借鑒數(shù)據(jù)庫(kù)分片的方式將區(qū)塊鏈進(jìn)行分片，將眾多節(jié)點(diǎn)劃分到不同的委員會(huì)，多個(gè)委員會(huì)并行處理事務(wù)提升區(qū)塊鏈的交易處理能力。但Elastico在沒有狀態(tài)分片的前提下要求每經(jīng)過(guò)一輪共識(shí)之后重新組織委員會(huì)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)增多時(shí)，委員會(huì)重組會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)塊鏈的TPS下降。Kokoris-Kogias等人提出了一種抗預(yù)測(cè)的公共隨機(jī)協(xié)議Omniledger[2]對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)分片，引入一種有效的跨分片提交協(xié)議來(lái)處理跨分片的交易。Omniledger在處理跨片交易時(shí)會(huì)將跨片交易廣播給所有分片，由對(duì)應(yīng)分片來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，交易驗(yàn)證合法則生成有效證明，否則生成拒絕證明。但如果區(qū)塊鏈系統(tǒng)的大部分分片中均有超過(guò)半數(shù)的跨片交易，則會(huì)產(chǎn)生大量的通信開銷，進(jìn)而造成TPS的下降，而節(jié)點(diǎn)有時(shí)并不能被均勻分配。Wang等人提出Monoxide[3]協(xié)議，協(xié)議中提出了“異步共識(shí)組”的概念，采用“連弩挖礦”機(jī)制即一個(gè)礦工可以同時(shí)對(duì)多個(gè)分片挖礦，只要解決一次PoW難題便可打包多個(gè)分片的交易上鏈，相當(dāng)于擴(kuò)大了每個(gè)分片的算力，同時(shí)提出了“最終原子性”原則，在跨分片交易中將一筆轉(zhuǎn)賬分為扣款和存款，如果扣款操作被成功執(zhí)行，在接收到接力交易后存款操作也將被成功執(zhí)行。但由于區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)是永久儲(chǔ)存的，隨著區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運(yùn)行，累計(jì)的交易數(shù)據(jù)會(huì)越來(lái)越多，相應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)壓力也會(huì)越來(lái)越大，有可能造成單點(diǎn)過(guò)熱的問題。

本文基于節(jié)點(diǎn)屬性的不同提出一個(gè)安全高效的分片方案，并將該分片方案應(yīng)用到區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，研究表明在滿足系統(tǒng)安全的前提下該方案可以提升基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易處理能力。

1? 基于節(jié)點(diǎn)屬性分片的區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)

1.1? 節(jié)點(diǎn)屬性的設(shè)計(jì)

本文將PoS算法思想作為節(jié)點(diǎn)身份的驗(yàn)證機(jī)制，用代幣資源替換算力資源，將節(jié)點(diǎn)自身利益與整個(gè)系統(tǒng)綁定，從而抵抗女巫攻擊，同時(shí)賦予節(jié)點(diǎn)不同屬性，不同屬性的節(jié)點(diǎn)有不同功能，如靜態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)分為存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和事務(wù)節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，事務(wù)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)交易的產(chǎn)生發(fā)布，所有靜態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)的分配驗(yàn)證工作，動(dòng)態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)驗(yàn)證交易的合法性和區(qū)塊的共識(shí)等，用戶通過(guò)身份驗(yàn)證機(jī)制進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)后，便可根據(jù)自身需求選擇節(jié)點(diǎn)屬性，進(jìn)而參與系統(tǒng)的運(yùn)行。

1.2? 網(wǎng)絡(luò)分片的設(shè)計(jì)

1.2.1? 節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配方法

針對(duì)節(jié)點(diǎn)分配不均、惡意節(jié)點(diǎn)偽造分片結(jié)果的問題，本文提出可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)VRF與一致性哈希算法相結(jié)合的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配方法，在保證可驗(yàn)證隨機(jī)性的同時(shí)利用一致性哈希算法的特點(diǎn)，把節(jié)點(diǎn)均勻地分布在各分片中，節(jié)點(diǎn)的分配工作不依賴于某個(gè)委員會(huì)且避免了分片結(jié)果在全網(wǎng)廣播，具體方法如下：

首先計(jì)算各分片在Hash環(huán)上的映射，然后節(jié)點(diǎn)在本地通過(guò)VRF算法計(jì)算出一個(gè)可驗(yàn)證的隨機(jī)數(shù)，再使用該隨機(jī)數(shù)結(jié)合一致性哈希算法得到節(jié)點(diǎn)在Hash環(huán)上的映射，從而得出節(jié)點(diǎn)所屬的分片。為了能將節(jié)點(diǎn)均衡地分配到各分片，引入一致性哈希算法的虛擬節(jié)點(diǎn)機(jī)制，即對(duì)同一個(gè)分片取多個(gè)命名，分別計(jì)算各個(gè)命名在哈希環(huán)的映射，這樣同一個(gè)分片就會(huì)在哈希環(huán)上有多個(gè)映射，從而保證節(jié)點(diǎn)隨機(jī)并且均勻地分配在各分片中，如圖1所示。

若用節(jié)點(diǎn)某個(gè)關(guān)鍵值的Hash結(jié)果來(lái)分配節(jié)點(diǎn)，根據(jù)哈希函數(shù)相同輸入必有相同輸出的特性，節(jié)點(diǎn)每次分片均會(huì)被分到同一分片中。若用節(jié)點(diǎn)某個(gè)關(guān)鍵值與隨機(jī)數(shù)進(jìn)行一致性Hash結(jié)果來(lái)分配節(jié)點(diǎn)，雖然節(jié)點(diǎn)每次分片會(huì)被分配到不同分片中，但無(wú)法驗(yàn)證其結(jié)果是否由該節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生，可能發(fā)生偽造現(xiàn)象。在本文提出的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配方法中，各分片委員會(huì)能通過(guò)VRF算法計(jì)算分配結(jié)果是否被偽造，還能依據(jù)其隨機(jī)性避免某節(jié)點(diǎn)被重復(fù)分配到同一分片的情況，同時(shí)由單一委員會(huì)變?yōu)槎鄠€(gè)委員會(huì)并行分配節(jié)點(diǎn)，減少了節(jié)點(diǎn)分配所需時(shí)間。

1.2.2? 重分片方法

區(qū)塊鏈系統(tǒng)中即使有節(jié)點(diǎn)身份驗(yàn)證機(jī)制，但仍避免不了惡意節(jié)點(diǎn)的存在，而誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期處于某一分片可能會(huì)遭到惡意節(jié)點(diǎn)的腐敗，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)閻阂夤?jié)點(diǎn)，所以要保證節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期性的重分片。但節(jié)點(diǎn)在參與共識(shí)之前要保證節(jié)點(diǎn)本地狀態(tài)的一致性，因此重分片前后必須要保證各節(jié)點(diǎn)的本地狀態(tài)一致以便能快速參與共識(shí)。在Monoxide[3]方案中，各分片完成一輪共識(shí)后由委員會(huì)將各分片產(chǎn)生的微區(qū)塊聚合成完整的區(qū)塊，再由全網(wǎng)同步該區(qū)塊，達(dá)到各節(jié)點(diǎn)本地狀態(tài)一致的目的。但節(jié)點(diǎn)同步全網(wǎng)的區(qū)塊數(shù)據(jù)需要消耗較多的時(shí)間和帶寬占用量，甚至造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，同時(shí)區(qū)塊鏈系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，新節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間（參與共識(shí)需要同步網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時(shí)間）也越長(zhǎng)。

針對(duì)重分片通信開銷大和時(shí)耗時(shí)長(zhǎng)的問題，在每個(gè)重分片周期結(jié)束前，各分片內(nèi)產(chǎn)生的最后一個(gè)區(qū)塊達(dá)成共識(shí)時(shí)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)同步區(qū)塊，同時(shí)動(dòng)態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)在本地計(jì)算所屬分片，并將結(jié)果與所需的檢驗(yàn)憑證廣播給所屬靜態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)委員會(huì)，靜態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)委員會(huì)通過(guò)算法驗(yàn)證后，將節(jié)點(diǎn)納入所屬分片，即完成重分片。僅將動(dòng)態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)重新隨機(jī)分片，解決了重分片過(guò)程中同步區(qū)塊數(shù)據(jù)帶來(lái)的通信開銷和節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)壓力等問題，同時(shí)一個(gè)分片內(nèi)有多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，避免了單點(diǎn)故障問題。

1.3? 交易分片和狀態(tài)分片的設(shè)計(jì)

交易分片指把系統(tǒng)中未確認(rèn)的交易分配到相應(yīng)的分片中進(jìn)行處理，各分片并行處理交易，達(dá)到提高區(qū)塊鏈交易處理能力的目的[4]。區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的交易經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)分片被分為片內(nèi)交易和跨片交易。片內(nèi)交易指交易雙方均在同一個(gè)分片內(nèi)，可以快速查詢驗(yàn)證該交易是否合法，跨片交易指交易雙方分別在不同的分片，在驗(yàn)證時(shí)就涉及該交易應(yīng)交由哪個(gè)分片協(xié)助處理，如何減少處理跨片交易產(chǎn)生的通信開銷等問題。目前主流交易分片方案中采用主鏈轉(zhuǎn)發(fā)交易的方式完成對(duì)跨片交易的轉(zhuǎn)發(fā)驗(yàn)證。如以太坊在其分片方案中設(shè)置了信標(biāo)鏈對(duì)跨片交易進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，但若網(wǎng)絡(luò)中存在大量交易時(shí)，單一的主鏈或者委員會(huì)卻可能因?yàn)闊o(wú)法負(fù)載大量交易的轉(zhuǎn)發(fā)工作而阻塞甚至崩潰，成為區(qū)塊鏈系統(tǒng)的另一個(gè)瓶頸。

本文根據(jù)節(jié)點(diǎn)屬性的不同提出新的交易分片方案。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)分片完成后，各分片內(nèi)的靜態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)會(huì)臨時(shí)記錄當(dāng)前分片內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的信息，事務(wù)節(jié)點(diǎn)在產(chǎn)生并發(fā)布交易后，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和動(dòng)態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)通過(guò)雙方交易信息判斷該交易的類別，如果是片內(nèi)交易，則由動(dòng)態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證交易的合法性，如果是跨片交易，則存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證交易合法性后轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)分片，經(jīng)由目標(biāo)分片中的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證交易的合法性后交由動(dòng)態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。一個(gè)分片內(nèi)的多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)組成委員會(huì)并行轉(zhuǎn)發(fā)和接收本分片的跨片交易，當(dāng)目標(biāo)分片的跨片交易數(shù)量達(dá)到規(guī)定值或收集時(shí)間超過(guò)規(guī)定值時(shí)，將交易切分后以并發(fā)的方式發(fā)送至目標(biāo)委員會(huì)，來(lái)減少跨片交易轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間，降低因跨片交易產(chǎn)生的通信開銷?？缙灰资疽鈭D如圖2所示。

狀態(tài)分片指將區(qū)塊鏈系統(tǒng)中完整的交易數(shù)據(jù)分片存儲(chǔ)，各分片存儲(chǔ)、維護(hù)各自的交易數(shù)據(jù)，降低網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)壓力，減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)同步交易數(shù)據(jù)所消耗的時(shí)間。本文中各分片的交易數(shù)據(jù)由其內(nèi)部的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)，所有的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)著區(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，而存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)不參與重分片過(guò)程，也就減少了狀態(tài)分片中因重分片后數(shù)據(jù)同步導(dǎo)致的通信開銷，從而形成了狀態(tài)分片。

2? 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

2.1? 節(jié)點(diǎn)均衡性分析

針對(duì)本文提出的網(wǎng)絡(luò)分片方法將節(jié)點(diǎn)均衡分布情況作為指標(biāo)對(duì)其分析。實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，測(cè)試了分片數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)節(jié)點(diǎn)均衡分布情況的影響。如圖3所示本文提出的網(wǎng)絡(luò)分片方案可以使節(jié)點(diǎn)均衡地分配在各分片，同時(shí)利用VRF函數(shù)的可驗(yàn)證性避免惡意節(jié)點(diǎn)偽造分片信息企圖進(jìn)入到某分片，提高了網(wǎng)絡(luò)分片的安全性。

2.2? 安全性分析

本文提出的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配方法與隨機(jī)抽樣問題類似，因此采用超幾何分布對(duì)網(wǎng)絡(luò)分片的安全性進(jìn)行分析。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中總共有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中有M個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)平均劃分為k個(gè)片區(qū)（k∈Z+），每個(gè)片區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)記為t=[N/k]，每個(gè)片區(qū)內(nèi)惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)記為Xk，以拜占庭類共識(shí)算法為例，PBFT算法的容錯(cuò)率為1/3，即每個(gè)分片內(nèi)的惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)少于片內(nèi)總節(jié)點(diǎn)數(shù)的1/3時(shí)分片是安全的[5]。

第一個(gè)分片中惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)m1服從超幾何分布，因此第一個(gè)分片中惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)X1=m1的概率公式為：

（1）

而分片中惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)少于片內(nèi)總節(jié)點(diǎn)數(shù)的1/3為安全，由此得出第一個(gè)分片安全的概率為：

（2）

第一個(gè)分片和第二個(gè)分片都安全的概率為：

（3）

同理，k個(gè)分片都安全的概率為：

（4）

該聯(lián)合概率計(jì)算較為復(fù)雜且難以計(jì)算，考慮到系統(tǒng)中有大規(guī)模節(jié)點(diǎn)的情況下，對(duì)其進(jìn)行粗略的估算，本文使用了Python中的NumPy庫(kù)函數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在N=1 000，M=280的網(wǎng)絡(luò)中，改變分片內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)估算整個(gè)區(qū)塊鏈分片網(wǎng)絡(luò)的安全性，并與RapidChain分片方案中的網(wǎng)絡(luò)分片進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示，結(jié)果表明本文提出的網(wǎng)絡(luò)分片方案安全可靠。

2.3? 擴(kuò)展性分析

本文方案使用Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行了簡(jiǎn)單模擬。如圖5所示，將PBFT作為共識(shí)機(jī)制，區(qū)塊鏈系統(tǒng)使用分片方案拓展后，交易處理能力得到了提升。

3? 結(jié)? 論

本文針對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易處理能力不足以媲美中心化應(yīng)用的問題，提出基于節(jié)點(diǎn)屬性的分片方案，利用該分片方案對(duì)區(qū)塊鏈底層進(jìn)行水平擴(kuò)容。其中經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明提出的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配方法可使節(jié)點(diǎn)隨機(jī)、均勻地分配到各分片中，并且可驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)分片結(jié)果的正確性；提出交易分片和狀態(tài)分片方案，降低了跨分片交易的通信開銷，降低了區(qū)塊鏈系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)壓力；分析了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)安全性，結(jié)果表明擴(kuò)展后的區(qū)塊鏈系統(tǒng)安全可靠；最后對(duì)擴(kuò)展后的區(qū)塊鏈系統(tǒng)與傳統(tǒng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展性對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，基于該分片方案的區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易處理能力強(qiáng)于傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易處理能力，所以本文提議的基于節(jié)點(diǎn)屬性分片的區(qū)塊鏈系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)安全的條件下，對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易處理能力有了一定的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] LUU L，NARAYANAN V，ZHENG C，et al. A Secure Sharding Protocol For Open Blockchains [C]//Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security.Vienna：ACM，2016：17-30.

[2] KOKORIS-KOGIAS E，JOVANOVIC P，GASSER L，et al. Omniledger：A secure，scale-out，decentralized ledger via sharding [C]//2018 IEEE Symposium on Security and Privacy （SP）.San Francisco：IEEE，2018：583-598.

[3] WANG J，WANG H. Monoxide：Scale Out Blockchains with Asynchronous Consensus Zones [J].Cryptology and Information Security Series，2019，2019：263.

[4] 秦文慧，李志淮，馬洪程.狀態(tài)分片中交易過(guò)載處理的節(jié)點(diǎn)競(jìng)選方案 [J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2022，58（22）：89-100.

[5] 劉昌平，劉海.一種區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)與共享方法 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2021，38（9）：2600-2603.

作者簡(jiǎn)介：趙鵬（1973—），男，漢族，山西太原人，教授，博士在讀，主要研究方向：軟件工程、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈；梁晉銘（1996—），男，漢族，山西呂梁人，碩士研究生在讀，主要研究方向：區(qū)塊鏈技術(shù)、共識(shí)算法；劉佳寶（1998—），男，漢族，陜西西安人，碩士研究生在讀，主要研究方向：區(qū)塊鏈共識(shí)算法研究。

收稿日期：2022-09-22