[论文解读] Distributed Nonblocking Commit Protocols for Many-Party Cross-Blockchain Transactions

Xinying Wang, Olamide Timothy Tawose+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 8被引用 12

一句话总结

本文提出 CBT，一种用于在任意数量的区块链之间进行跨链交易的去中心化、非阻塞提交协议，无需集中协调。通过将两阶段提交（2PC）扩展为引入心跳机制，CBT 确保了活性，并仅在两个区块链之间产生 3.6% 的开销，而在 32 个或更多区块链之间开销低于 1%，实现了线性可扩展性。

ABSTRACT

The interoperability across multiple blockchains would play a critical role in future blockchain-based data management paradigm. Existing techniques either work only for two blockchains or requires a centralized component to govern the cross-blockchain transaction execution, neither of which would meet the scalability requirement. This paper proposes a new distributed commit protocol, namely extit{cross-blockchain transaction} (CBT), for conducting transactions across an arbitrary number of blockchains without any centralized component. The key idea of CBT is to extend the two-phase commit protocol with a heartbeat mechanism to ensure the liveness of CBT without introducing additional nodes or blockchains. We have implemented CBT and compared it to the state-of-the-art protocols, demonstrating CBT's low overhead (3.6\% between two blockchains, less than $1\%$ among 32 or more blockchains) and high scalability (linear scalability on up to 64-blockchain transactions). In addition, we developed a graphic user interface for users to virtually monitor the status of the cross-blockchain transactions.

研究动机与目标

• 解决多方跨链交易中缺乏可扩展、去中心化且非阻塞协议的问题。
• 消除对集中式中介或枢纽的依赖，避免造成性能瓶颈和单点故障。
• 支持在任意数量异构区块链之间实现原子性、一致性的交易。
• 提供一种标准化、可移植的接口用于跨链交易执行，类似于关系型数据库中的 SQL。
• 通过实现和用户友好的图形化界面，证明其实际可行性。

提出的方法

• 在经典两阶段提交（2PC）协议基础上引入心跳机制，以检测并恢复协调者故障，避免系统阻塞。
• 采用动态协调者重新选举机制，当协调者失效时，从同一区块链中选出新协调者，确保系统活性。
• 通过区块链参与者之间的消息传递，以分布式方式协调事务准备与提交决策。
• 实现一种去中心化共识机制，在不依赖中心权威的前提下保持原子性与一致性。
• 引入轻量级监控层，用于跟踪跨区块链的事务状态与消息流动。
• 开发图形用户界面（GUI），用于可视化事务状态，并使非专家用户能够监控和交互跨链事务。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种适用于任意数量区块链的去中心化、非阻塞提交协议，用于跨链交易？
• RQ2 在缺乏集中式协调者的情况下，尤其在协调者发生故障时，如何保证系统活性？
• RQ3 与理想化的两阶段提交（2PC）协议相比，该协议在无故障环境下的性能开销如何？
• RQ4 随着区块链数量和事务数量的增加，该协议的可扩展性如何？
• RQ5 能否构建一种标准化、用户友好的界面，以支持跨链事务的实际部署与监控？

主要发现

• CBT 在最多 64 个区块链上实现了线性可扩展性，所有测试工作负载的性能扩展因子与理想性能相差不超过 3%。
• 在两个区块链之间执行事务时，CBT 相较于理想 2PC 协议仅产生 3.6% 的开销。
• 当区块链数量达到 32 个或以上时，开销降至 1% 以下，表明其在大规模场景下具备出色的性能效率。
• CBT 在 8 个及以上区块链时优于 AC3（一种基于集中式枢纽的协议），因为 AC3 在枢纽处出现性能瓶颈而下降。
• 即使在协调者故障的情况下，协议仍能通过从同一区块链中动态重新选举新协调者，成功避免阻塞。
• 所开发的 GUI 支持实时监控事务状态与消息流动，显著提升了非专家用户对跨链事务的可用性。