[论文解读] Atomic Appends: Selling Cars and Coordinating Armies with Multiple Distributed Ledgers

Antonio Fernández Anta, Chryssis Georgiou+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 15被引用 6

一句话总结

本文提出了多区块链系统中的AtomicAppends问题，即客户端必须原子性地向多个分布式账本（DLO）同时追加记录，要么全部成功，要么全部失败。为此，提出使用可信的智能DLO（SDLO）作为中介，通过原子广播确保在崩溃故障和异步环境下的一致性，从而实现安全的跨链资产交换，如汽车销售或协同军事行动。

ABSTRACT

The various applications using Distributed Ledger Technologies (DLT) or blockchains, have led to the introduction of a new `marketplace' where multiple types of digital assets may be exchanged. As each blockchain is designed to support specific types of assets and transactions, and no blockchain will prevail, the need to perform interblockchain transactions is already pressing. In this work we examine the fundamental problem of interoperable and interconnected blockchains. In particular, we begin by introducing the Multi-Distributed Ledger Objects (MDLO), which is the result of aggregating multiple Distributed Ledger Objects -- DLO (a DLO is a formalization of the blockchain) and that supports append and get operations of records (e.g., transactions) in them from multiple clients concurrently. Next, we define the AtomicAppends problem, which emerges when the exchange of digital assets between multiple clients may involve appending records in more than one DLO. Specifically, AtomicAppend requires that either all records will be appended on the involved DLOs or none. We examine the solvability of this problem assuming rational and risk-averse clients that may fail by crashing, and under different client utility and append models, timing models, and client failure scenarios. We show that for some cases the existence of an intermediary is necessary for the problem solution. We propose the implementation of such intermediary over a specialized blockchain, we term Smart DLO (SDLO), and we show how this can be used to solve the AtomicAppends problem even in an asynchronous, client competitive environment, where all the clients may crash.

研究动机与目标

• 形式化定义客户端在交换数字资产时，跨多个分布式账本（DLO）进行原子协调的问题。
• 分析在不同客户端效用模型（协作型与竞争型）及崩溃故障条件下，AtomicAppends的可解性。
• 研究中介在异步环境及客户端故障场景下解决该问题的作用。
• 设计并验证一种基于专用区块链——智能DLO（SDLO）的解决方案，以确保原子性，且不依赖密码学或智能合约。
• 证明即使所有客户端均崩溃，在异步条件下，SDLO仍能保证终止性和一致性。

提出的方法

• 引入多分布式账本对象（MDLO）作为形式化抽象，整合多个DLO，支持并发的追加和获取操作。
• 将AtomicAppends问题定义为：在多个DLO之间追加记录时，必须保证全部或不追加任何一条，以确保跨链交易的原子性。
• 提出智能DLO（SDLO）作为专用区块链，充当协调者，利用原子广播确保记录在DLO间的一致传播。
• 设计算法 $\mathcal{A}_{SDLO}$，客户端将原子追加请求提交至SDLO，SDLO随后在目标DLO上触发相应的追加操作。
• 通过仅需 $f+1$ 个服务器成功在SDLO中追加记录来实现容错，假设最多有 $f$ 个服务器崩溃。
• 使用幂等追加操作防止重复条目，并确保仅当SDLO同时记录两条请求时，两条记录才被追加。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种系统模型（同步/异步）和客户端故障假设下，AtomicAppends问题可以被解决？
• RQ2 在存在崩溃故障、理性且风险规避的客户端的异步环境中，是否必须依赖中介来解决AtomicAppends问题？
• RQ3 能否仅使用原生DLO操作（追加和获取）而不依赖密码学或智能合约来解决该问题？
• RQ4 效用模型（协作型与竞争型）如何影响问题的可解性及解决方案的设计？
• RQ5 在客户端崩溃和网络异步环境下，哪些机制能确保终止性和一致性？

主要发现

• 在异步系统中，即使仅有一个客户端崩溃，仅使用直接DLO操作也无法解决AtomicAppends问题，尤其在竞争型客户端场景下。
• 在协作模型中，通过直接追加操作，AtomicAppends可在同步和异步环境中解决；但在竞争模型中，若无委托机制则无法解决。
• 基于SDLO的解决方案 $\mathcal{A}_{SDLO}$ 即使在异步环境和所有客户端完全崩溃的情况下，也能在协作和竞争模型中成功解决AtomicAppends问题。
• SDLO通过使用原子广播协调DLO间的追加操作，仅需 $f+1$ 个服务器即可完成操作，即使最多有 $f$ 个服务器崩溃。
• 该算法对客户端是终止的：客户端不会无限等待，只要底层DLO的追加操作能终止，SDLO最终将处理所有操作。
• 当客户端在处理过程中直接向DLO追加记录时，该解决方案依然稳健，前提是通过验证DLO（VDLO）强制执行记录验证，尽管此部分留待未来工作。