[论文解读] Distributed Cross-Blockchain Transactions

Dongfang Zhao, Tonglin Li|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 9被引用 12

一句话总结

本文提出RBP，一种可扩展的、无锁的、完全分布式的提交协议，用于跨异构区块链的多参与方便原子性交易，无需中心化枢纽。该协议在大规模环境下实现接近理想性能（相比2PC仅增加3.6–4%开销），且由于采用最终一致性语义，延迟增加可忽略不计，为实现标准化、去中心化的区块链互操作性奠定了基础。

ABSTRACT

The interoperability across multiple or many blockchains would play a critical role in the forthcoming blockchain-based data management paradigm. In particular, how to ensure the ACID properties of those transactions across an arbitrary number of blockchains remains an open problem in both academic and industry: Existing solutions either work for only two blockchains or requires a centralized component, neither of which would meet the scalability requirement in practice. This short paper shares our vision and some early results toward scalable cross-blockchain transactions. Specifically, we design two distributed commit protocols and, both analytically and experimentally, demonstrate their effectiveness.

研究动机与目标

• 为解决区块链数据管理中缺乏可扩展、去中心化且支持原子性跨区块链事务协议的问题。
• 克服现有方案的局限性，包括依赖中心化枢纽、仅支持两方参与、性能差以及与区块链动态分叉行为不兼容等问题。
• 设计并评估一种无锁、分布式的提交协议（RBP），支持在任意区块链之间进行多方事务，同时保持原子性和持久性。
• 通过在BlockLite平台上的实现与评估，证明该协议的可扩展性与性能表现。
• 为异构区块链生态系统中跨区块链事务协议的未来标准化奠定基础。

提出的方法

• 设计RBP（基于恢复的协议），一种用于跨区块链事务的无锁、分布式提交协议，无需中心化协调器或枢纽。
• 采用滑动窗口机制管理事务，并检测因区块链分叉可能导致的回滚，确保最终一致性。
• 使用四阶段通信模型（准备、预提交、提交、确认），并引入恢复机制，以处理可能因更长链而被无效化的短链上的事务。
• 基于崩溃故障模型并假设最终可恢复，即节点可被替换，且事务期间故障不会无限期持续。
• 在BlockLite系统中使用Java实现该协议，包含区块链逻辑、网络通信以及基于Java Swing的图形用户界面组件。
• 在64条区块链环境下，使用ETC20和TPC-H工作负载，将RBP与2PC（理想情况）和AC3（基于枢纽）进行对比评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为任意数量异构区块链设计一种完全分布式的无锁提交协议，以实现跨区块链事务的原子性？
• RQ2 在大规模区块链环境中，去中心化协议（如RBP）的性能与集中式或理想化的2PC模型相比如何？
• RQ3 RBP中的最终一致性模型在多大程度上以牺牲一致性为代价，换取更低延迟和更高可扩展性，相较于严格一致性模型？
• RQ4 随着区块链数量的增加，RBP相对于理论上限（即2PC）的开销如何变化？
• RQ5 RBP能否在无中心化组件的情况下有效扩展？其在ETC20和TPC-H等真实工作负载下的表现如何？

主要发现

• 在2至32条区块链上，RBP相比理想化的2PC协议仅增加3.6%至4%的开销，表明性能下降极小。
• 在64条区块链时，RBP的开销变得可忽略不计，表明其在无中心化瓶颈的情况下具有强线性可扩展性。
• AC3依赖中心化枢纽，在仅8条区块链时便开始落后于RBP和2PC，证实了基于枢纽设计的可扩展性局限。
• 由于避免了因分叉导致的长时间等待，RBP的延迟显著低于SBP（基线），在无分叉时可低至4τ + λf。
• 即使在短链上的事务因链重组而最终被回滚，RBP仍能保持原子性、持久性和隔离性。
• RBP的最终一致性模型实现了高吞吐量和低延迟，事务吞吐量计算为|T_i| / δ_i，其中δ_i为区块链C_i的时间窗口。