[论文解读] Blockchains Meet Distributed Hash Tables: Decoupling Validation from State Storage
本文提出一种区块链架构，通过利用分布式哈希表（DHT）将区块验证与状态存储解耦，将大部分区块链状态数据存储在DHT中。节点通过从DHT检索的密码学证明来验证交易，仅需存储少量本地状态（例如最近8个区块），即可实现完整验证，初始同步时间缩短至20秒以内——远快于当前以太坊等系统。
The first obstacle that regular users encounter when setting up a node for a public blockchain is the time taken for downloading all the data needed for the node to start operating correctly. In fact, this may last from hours to weeks for the major networks. Our contribution is twofold. Firstly, we show a design that enables mining and validation of new blocks keeping only a very small state. Secondly, we show that it is possible to store the state of the blockchain in a distributed hash table obtaining a wide spectrum of trade-offs between storage committed by the nodes and replication factor. Our proposal is independent from the consensus algorithm adopted, and copes well with transactions that involve smart contracts.
研究动机与目标
- 为解决当前设置验证型区块链节点时同步时间过长（通常需数小时至数周）这一主要障碍。
- 通过允许节点仅存储极小的本地状态（例如最近区块）来减轻节点的存储负担，同时仍能安全地验证交易。
- 通过将状态数据分布存储在DHT中，实现节点存储承诺与数据复制之间的灵活权衡。
- 保持与现有共识算法的向后兼容性，并在不损害安全性的前提下支持智能合约交易。
- 提升区块链的可扩展性与可用性，尤其适用于物联网等资源受限环境。
提出的方法
- 节点仅存储最后 $ d $ 个区块（例如 $ d = 8 $），并通过源自认证数据结构的密码学证明来验证交易。
- 完整的区块链状态存储在由相同节点实现的DHT中，支持从零到完整数据集的灵活存储承诺。
- 交易创建者查询DHT以获取交易涉及的状态元素的证明，这些证明随后随交易一并提交以供验证。
- 通过要求证明与本地链中的区块密码学绑定来确保安全性，无效或过时的证明将被丢弃。
- 通过存储本地的检查点区块哈希并在后续区块中引用，实现断开后安全的重新同步。
- 系统假设网络传播是同步的，并采用时间绑定模型，即证明必须在 $ (d-1)T $ 时间内有效，才能保留在验证窗口内。
实验结果
研究问题
- RQ1是否可以在不牺牲安全性或共识完整性的情况下，将区块链验证与持久化状态存储解耦？
- RQ2验证型节点为确保交易验证的正确性与安全性，必须维护的最小本地状态是什么？
- RQ3区块链如何在保持未信任存储中数据可用性与一致性的同时，实现快速初始同步？
- RQ4在去中心化状态存储模型中，节点存储承诺与数据复制之间存在何种权衡？
- RQ5系统如何防止节点在重新同步期间遭受遮蔽攻击？
主要发现
- 在2 Mb/s带宽条件下，初始节点同步时间可缩短至约19秒，假设最小状态（例如最近8个区块）的数据下载量为4.8 MB。
- 该系统支持广泛的存储权衡，允许节点从零到完整区块链存储进行承诺，且对验证安全性无任何影响。
- 该方法与底层共识算法无关，并通过在交易中包含状态元素的证明，支持智能合约交易。
- 通过使用认证数据结构和时间窗口内的证明有效性检查，确保仅接受近期有效证明，从而保障安全性。
- 通过使用检查点区块，可在断开连接后实现安全重新同步，降低重新连接期间遭受遮蔽攻击的风险。
- 由于需要查询DHT，发送方的开销有所增加，但可通过并行化和缓存机制支持高吞吐量用例。
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本解读由 AI 生成，并经人工编辑审核。