[论文解读] Divide and Scale: Formalization of Distributed Ledger Sharding Protocols.

Georgia Avarikioti, Eleftherios Kokoris-Kogias+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 42被引用 27

一句话总结

本文通过定义一致性与可扩展性为核心属性，形式化了分布式账本中的分片机制，证明了在每个周期生成状态更新的简洁证明的前提下，分片区块链在周期自适应敌手模型下可实现 $O(n/\log n)$ 的可扩展性。本文引入了一种协议抽象，并分析了主要的分片协议，识别出它们在安全性和可扩展性保证方面存在的缺陷。

ABSTRACT

Sharding distributed ledgers is the most promising on-chain solution for scaling blockchain technology. In this work, we define and analyze the properties a sharded distributed ledger should fulfill. More specifically, we show that a sharded blockchain cannot be scalable under a fully adaptive adversary, but it can scale up to $O(n/\log n)$ under an epoch-adaptive adversary. This is possible only if the distributed ledger creates succinct proofs of the valid state updates at the end of each epoch. Our model builds upon and extends the Bitcoin backbone protocol by defining consistency and scalability. Consistency encompasses the need for atomic execution of cross-shard transactions to preserve safety, whereas scalability encapsulates the speedup a sharded system can gain in comparison to a non-sharded system. We introduce a protocol abstraction and highlight the sufficient components for secure and efficient sharding in our model. In order to show the power of our framework, we analyze the most prominent shared blockchains (Elastico, Monoxide, OmniLedger, RapidChain) and pinpoint where they fail to meet the desired properties.

研究动机与目标

• 定义并形式化分片分布式账本为实现安全高效运行所必须满足的核心属性——一致性与可扩展性。
• 在不同敌手模型下分析分片区块链可扩展性的极限，尤其区分完全自适应敌手与周期自适应敌手。
• 识别实现安全高效分片所必需的组件，特别是每个周期末尾生成状态更新简洁证明的关键作用。
• 将所提出的正式模型应用于评估主流分片协议（Elastico、Monoxide、OmniLedger、RapidChain）的表现，并指出其缺陷。

提出的方法

• 通过在比特币主干协议基础上扩展，引入了分片账本背景下的一致性与可扩展性的正式定义。
• 提出一种协议抽象，隔离出实现安全高效分片所必需的核心组件，强调跨分片事务的原子性。
• 定义了两种敌手模型：完全自适应敌手（敌手可任意自适应）与周期自适应敌手（敌手仅限在周期间改变）。
• 证明在完全自适应敌手下可扩展性不可能实现，但在周期自适应敌手下可实现至 $O(n/\log n)$ 的可扩展性。
• 要求在每个周期末尾使用状态更新的有效性简洁证明，以支持高效验证与可扩展性。
• 将正式模型应用于分析实际分片协议，识别其在一致性或可扩展性要求方面未能满足的原因。

实验结果

研究问题

• RQ1 分片区块链在完全自适应敌手下能否实现可扩展性？若不能，原因是什么？
• RQ2 在周期自适应敌手下，分片区块链的最大可扩展性能达到何种程度？
• RQ3 简洁证明在实现分片账本可扩展性方面起到何种作用？
• RQ4 哪些组件是安全高效分片协议所必需且充分的？
• RQ5 在所提出的正式模型下，Elastico、OmniLedger 和 RapidChain 等现有分片协议表现如何？

主要发现

• 由于敌手可在任意时间破坏跨分片协调，分片区块链在完全自适应敌手下无法实现可扩展性。
• 在周期自适应敌手下，可实现至 $O(n/\log n)$ 的可扩展性，其中 $n$ 为节点数量。
• 在每个周期末尾生成有效状态更新的简洁证明，是实现该可扩展性上限的必要条件。
• 正式模型表明，Elastico、Monoxide、OmniLedger 和 RapidChain 等现有协议在所定义的敌手模型下，未能满足一致性或可扩展性要求。
• 协议抽象表明，跨分片事务的原子执行是维持分片系统安全性和一致性的关键。
• 分析表明，缺乏简洁证明或适当的验证机制，将导致安全性和性能方面的漏洞。