[论文解读] Blockclique: scaling blockchains through transaction sharding in a multithreaded block graph

Sébastien Forestier, Vodenicarevic, Damir+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 22被引用 15

一句话总结

Blockclique 提出了一种多线程区块DAG架构，通过将交易在T条并行线程中分片，实现区块链吞吐量的扩展，其中每个区块引用来自每条线程的一个父区块。通过基于输入地址的分片确保交易兼容性，并扩展Nakamoto共识，该协议在现实网络条件下实现了超过10,000笔/秒的交易吞吐量，且延迟区块率较低。

ABSTRACT

Decentralized crypto-currencies based on the blockchain architecture under-utilize available network bandwidth, making them unable to scale to thousands of transactions per second. We define the Blockclique architecture, that addresses this limitation by sharding transactions in a block graph with a fixed number of threads. The architecture allows the creation of intrinsically compatible blocks in parallel, where each block references one previous block of each thread. The consistency of the Blockclique protocol is formally established in presence of attackers. An experimental evaluation of the architecture's performance in large realistic networks demonstrates an efficient use of available bandwidth and a throughput of thousands of transactions per second.

研究动机与目标

• 解决传统区块链网络带宽利用率低下导致吞吐量受限于约5笔/秒的问题，尽管网络容量充足。
• 通过在不牺牲一致性或安全性的情况下实现并行区块生成，突破单链区块链的可扩展性瓶颈。
• 设计一种可扩展的去中心化区块链架构，在保持全节点对所有交易的验证的同时，通过交易分片实现高吞吐量。
• 通过形式化证明协议在对抗性条件下的一致性，确保在攻击者控制最多45%网络资源时仍具备安全性。
• 证明Nakamoto共识的一种自然扩展——通过多线程区块图——能够高效利用网络带宽，并在大规模网络中实现高交易吞吐量。

提出的方法

• 引入一种多线程区块DAG数据结构，其中每个区块引用来自T条线程中每条线程的一个父区块，通过跨线程依赖关系确保全局一致性。
• 基于输入地址分配实现交易分片：根据交易输入UTXO的地址将交易分配到特定线程，确保不同线程中的区块天然兼容。
• 将Nakamoto共识扩展至多线程DAG，通过优先选择所有线程中累计工作量最高的链来保持安全性和最终性属性。
• 使用固定的区块生成间隔t₀和共识比特率C_B来建模网络性能，区块大小S_B由C_B和t₀决定。
• 确保所有节点验证并处理所有线程中的所有区块，从而消除对跨分片通信的依赖，仅需父区块引用。
• 形式化证明协议在对抗性条件下的一致性和安全性，表明其在攻击者控制最多45%总网络资源时仍具备鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 区块链架构能否通过在多条线程中实现并行区块生成，而不牺牲一致性，从而实现高交易吞吐量？
• RQ2 如何设计交易分片机制，使得在并行生成的区块之间天然兼容，从而消除双重支出风险？
• RQ3 通过将区块组织为具有跨线程父区块引用的多线程DAG结构，能在多大程度上高效利用去中心化区块链中的网络带宽？
• RQ4 在现实网络条件（如延迟、带宽、节点数量）下，该架构可实现的最大共识比特率和交易吞吐量是多少？
• RQ5 当攻击者控制最多45%的网络资源时，该协议如何维持安全性和一致性？

主要发现

• 在大规模网络仿真中，Blockclique 架构实现了超过10,000笔/秒的交易吞吐量，且网络带宽和延迟均符合现实条件。
• 当T=32条线程、t₀=32秒、C_B=12 Mb/s时，t₀=16秒的确认时间为36秒，而t₀=64秒时下降至142秒。
• 即使在30%区块丢失（μ=0.3）的情况下，吞吐量仍保持在8,070笔/秒，表明对网络丢包具有强鲁棒性。
• 当C_B设置为12 Mb/s时，网络中最多包含4,096个节点，协议的延迟区块率仍低于1%，表明在高负载下共识稳定。
• 在低带宽条件下（B=4 Mb/s），该架构仍能支持高达2 Mb/s的共识比特率，实现约2,000笔/秒的吞吐量。
• 该架构高效利用了可用网络资源，在大规模和高延迟网络中，共识比特率接近节点带宽的理论极限。