[论文解读] Database Perspectives on Blockchains

Sara Cohen, Aviv Zohar|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2018

Data Management and Algorithms参考文献 8被引用 3

一句话总结

本文通过分析两个核心挑战，为区块链作为数据存储层建立了形式化的理论基础：(1) 在给定待处理交易和区块链状态的前提下，判断是否可能违反拒绝约束；(2) 生成与待处理交易子集一致或可分离的交易。其主要贡献在于构建了一个复杂性理论框架，以确保在去中心化、共识驱动环境中实现数据一致性和用户意图。

ABSTRACT

Modern blockchain systems are a fresh look at the paradigm of distributed computing, applied under assumptions of large-scale public networks. They can be used to store and share information without a trusted central party. There has been much effort to develop blockchain systems for a myriad of uses, ranging from cryptocurrencies to identity control, supply chain management, etc. None of this work has directly studied the fundamental database issues that arise when using blockchains as the underlying infrastructure to manage data. The key difference between using blockchains to store data and centrally controlled databases is that transactions are accepted to a blockchain via a consensus mechanism. Hence, once a user has issued a transaction, she cannot be certain if it will be accepted. Moreover, a yet unaccepted transaction cannot be retracted by the user, and may be appended to the blockchain in the future. This causes difficulties as the user may wish to reissue a transaction, if it was not accepted. Yet this data may then become appended twice to the blockchain. In this paper we present a database perspective on blockchains by introducing formal foundations for blockchains as a storage layer that underlies a database. The main issue that we tackle is uncertainty in transaction appending that is a result of the consensus mechanism. We study two flavors of transaction appending problems: (1) the complexity of determining whether it is possible for a denial constraint to be contradicted, given the state of the blockchain, pending transactions, and integrity constraints and (2) the complexity of generating transactions that are mutually (in)consistent with given subsets of pending transactions. Solving these problems is critical to ensure that users can issue transactions consistent with their intentions. Finally, we chart important directions for future work.

研究动机与目标

• 解决区块链中交易不确定性这一根本性挑战，即用户无法保证待处理交易的接受或撤回。
• 将区块链的数据一致性层形式化为数据库系统的理论基础，独立于特定共识协议。
• 开发理论工具，确保已发出的交易不会违反完整性约束，也不会与待处理交易发生冲突。
• 实现安全、自动化的交易生成，尊重用户意图并避免产生非预期的数据状态。
• 识别基于区块链的数据库管理中的开放研究问题，尤其关注一致性、可扩展性以及用户级控制。

提出的方法

• 将区块链数据库形式化为包含共识层和数据一致性层的系统，后者负责管理合法数据状态及其演化。
• 提出拒绝约束满足问题：在当前区块链状态和待处理交易的前提下，判断某一约束是否可能被违反。
• 提出生成 $({ m T}_{ m in}, { m T}_{ m out})$-分离交易的方法，以防止与现有待处理交易发生冲突。
• 在各种数据库约束下，分析拒绝约束满足问题和交易分离问题的计算复杂性。
• 将框架扩展至考虑用户定义的生成交易约束，如基于查询的或领域特定的要求。
• 将该模型应用于现实场景，如链下通道（例如闪电网络）和可交换交易集合，以评估其可扩展性和一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在给定当前数据和待处理交易的前提下，确定是否存在未来区块链状态可能违反拒绝约束的计算复杂性是什么？
• RQ2 如何算法化地生成与给定待处理交易子集相互一致的交易，同时避免与其他交易发生冲突？
• RQ3 在用户定义约束（如查询条件或领域特定规则）下生成交易的复杂性是什么？
• RQ4 如何将所提出的框架扩展以支持高级协议（如闪电网络），其中链下交易必须防范恶意中间状态？
• RQ5 识别可交换交易集合的理论基础是什么？这些交易集合可按任意顺序处理，从而提升共识效率？

主要发现

• 研究表明，区块链中拒绝约束满足问题为 NP-完全问题，表明在不确定性下确保数据完整性的固有计算难度。
• 生成 $({ m T}_{ m in}, { m T}_{ m out})$-分离交易的问题同样计算困难，属于 NP-难复杂度类，凸显了安全交易组合的挑战。
• 该框架支持对区块链未来可能状态的形式化推理，使用户能够验证某笔交易是否安全发出而不违反约束。
• 该模型为构建自动工具提供了理论基础，可生成避免与待处理交易冲突的交易，从而保护用户意图。
• 分析表明，链下协议（如闪电网络）依赖于类似的保持一致性推理，暗示其与链上数据库问题具有共享的理论基础。
• 本文识别出区块链数据库管理中的关键开放问题，包括受限交易生成、可交换交易检测，以及比特币钱包中高级未花费输出管理。