[论文解读] Free2Shard: Adaptive-adversary-resistant sharding via Dynamic Self Allocation

Ranvir Rana, Sreeram Kannan+2 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 38被引用 5

一句话总结

Free2Shard 提出了一种新颖的分片架构，在大规模区块链中实现了接近线性的吞吐量扩展，同时通过使诚实节点能够基于实时敌对活动自我分配到分片，来抵御完全自适应敌手（即能够动态腐蚀节点的敌手）。其核心创新是一种基于博弈论原理的动态自我分配（DSA）策略，确保在自适应攻击下每个分片仍能保持诚实节点的多数，且无需依赖密码学证明或集中式协调。

ABSTRACT

Propelled by the growth of large-scale blockchain deployments, much recent progress has been made in designing sharding protocols that achieve throughput scaling linearly in the number of nodes. However, existing protocols are not robust to an adversary adaptively corrupting a fixed fraction of nodes. In this paper, we propose Free2Shard -- a new architecture that achieves near-linear scaling while being secure against a fully adaptive adversary. The focal point of this architecture is a dynamic self-allocation algorithm that lets users allocate themselves to shards in response to adversarial action, without requiring a central or cryptographic proof. This architecture has several attractive features unusual for sharding protocols, including: (a) the ability to handle the regime of large number of shards (relative to the number of nodes); (b) heterogeneous shard demands; (c) requiring only a small minority to follow the self-allocation; (d) asynchronous shard rotation; (e) operation in a purely identity-free proof-of-work setting. The key technical contribution is a deep mathematical connection to the classical work of Blackwell in dynamic game theory.

研究动机与目标

• 解决现有分片协议的关键局限：在许可链环境，尤其是允许节点自由加入的区块链中，当敌对者能够动态腐蚀节点时，这些协议会失效。
• 设计一种分片架构，即使多达50%的节点为敌对者且能实时调整行为，也能维持高吞吐量和安全性。
• 使诚实节点能够以去中心化、非密码学的方式响应敌对行为，自我分配到分片，而无需中心化协调者。
• 确保在实际部署环境中的鲁棒性，包括异步分片轮换、异构分片工作负载，以及仅少数诚实节点遵循协议的部分部署场景。
• 将协议扩展至在工作量证明和权益证明的许可环境安全运行，同时保持安全性和可扩展性。

提出的方法

• 提出一种动态自我分配（DSA）策略，诚实节点根据观察到的敌对行为集中程度，重新分配至分片，采用源自动态博弈论中Blackwell可及性的计算简单策略。
• 采用Stackelberg博弈框架，对诚实节点与自适应敌手之间的战略互动进行建模，确保诚实节点始终能在每个分片中保持多数。
• 使用时间平均分析表明，即使分片轮换为异步或不频繁（例如每Δ轮一次），协议仍能维持安全性和吞吐量保证。
• 依赖三项核心原原子：用于全局排序分片区块哈希的拜占庭容错SMR引擎、确保数据可访问性的数据可用性引擎，以及使用交互式验证的用于高效引导和轮换的状态承诺引擎。
• 通过SMR与分片挖矿过程之间的哈希排序选举机制，将协议适配至许可环境，防止工作量证明环境中的贿赂攻击。
• 通过状态承诺支持跨分片交易，确保有效性和活跃性，实现与Atomix等现有协议的集成，同时由于全局排序机制避免了同步和重放攻击等已知漏洞。

实验结果

研究问题

• RQ1 分片协议是否能在面对能够动态腐蚀节点的完全自适应敌手时，仍保持接近线性的吞吐量扩展？
• RQ2 诚实节点能否以去中心化、非密码学方式自我分配到分片，以应对敌对行为集中，而无需中心化协调者？
• RQ3 遵循自我分配策略的诚实节点的最小比例是多少，才能使整个系统稳定并确保所有分片的活跃性？
• RQ4 当分片轮换为异步或不频繁时，协议如何维持安全性和效率？
• RQ5 协议能否扩展至在无需牺牲可扩展性或安全性的前提下，安全地运行于许可的工作量证明和权益证明环境？

主要发现

• Free2Shard 即使在完全自适应敌手控制最多50%节点的情况下，仍能实现与节点数量接近线性的吞吐量扩展。
• 动态自我分配（DSA）策略确保每个分片中诚实节点的比例始终大于0.5，从而维持安全性和活跃性。
• 即使仅少数诚实节点（例如10%）遵循DSA策略，协议仍保持安全和稳定，展现出对部分部署的鲁棒性。
• 异步分片轮换（例如每Δ轮或随机间隔轮换）不会损害安全性，因为每个分片中诚实节点的时间平均比例仍高于0.5。
• 协议与权益证明和工作量证明区块链均兼容，通过哈希排序选举机制防止工作量证明环境中的贿赂攻击。
• 由于全局排序和状态承诺机制，跨分片交易安全且高效，避免了已知的同步和重放攻击漏洞。