[论文解读] Efficient Cross-Shard Transaction Execution in Sharded Blockchains

Sourav Das, Vinith Krishnan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 31被引用 9

一句话总结

Rivet 提出了一种新颖的分片架构，通过在工作分片中消除共识，利用单一参考分片通过区块承诺和有效性证明来协调跨分片交易。该设计通过避免两阶段提交（2PC）协议固有的长期锁机制，减少了跨分片交易的延迟并提高了吞吐量，实现了更低的延迟和更高的并发性，且开销极小。

ABSTRACT

Sharding is a promising blockchain scaling solution. But it currently suffers from high latency and low throughput when it comes to cross-shard transactions, i.e., transactions that require coordination from multiple shards. The root cause of these limitations arise from the use of the classic two-phase commit protocol, which involves locking assets for extended periods of time. This paper presents Rivet, a new paradigm for blockchain sharding that achieves lower latency and higher throughput for cross-shard transactions. Rivet has a single reference shard running consensus, and multiple worker shards maintaining disjoint states and processing a subset of transactions in the system. Rivet obviates the need for consensus within each worker shard, and as a result, tolerates more failures within a shard and lowers communication overhead. We prove the correctness and security of Rivet. We also propose a more realistic framework for evaluating sharded blockchains by creating a benchmark based on real Ethereum transactions. An evaluation of our prototype implementation of Rivet and the baseline two-phase commit, atop 50+ AWS EC2 instances, using our evaluation framework demonstrates the latency and throughput improvements for cross-shard transactions.

研究动机与目标

• 为解决分片区块链中跨分片交易存在的高延迟和低吞吐量问题，其根源在于经典两阶段提交（2PC）协议中的长期锁机制。
• 设计一种可扩展的区块链分片模型，最大限度减少工作分片中的共识开销，同时保持安全性和一致性。
• 在不损害正确性或容错能力的前提下，提升跨分片操作的事务确认速度和系统吞吐量。
• 基于以太坊交易模式的真实世界基准，评估所提模型的可行性和性能。

提出的方法

• Rivet 引入单一参考分片，负责运行共识并维护全局区块链，而多个工作分片独立维护不相交的状态并独立处理分片内事务。
• 工作分片不运行共识；相反，它们定期将已提交区块的加密哈希摘要提交给参考分片，以包含在全局链中。
• 跨分片交易提交至参考分片，由其排序并最终确定，从而使所有涉及的分片仅本地执行相关事务。
• 每个工作分片从其他分片下载数据和有效性证明以执行跨分片交易，确保正确性，且无需它们之间达成共识。
• 系统使用加密承诺和有效性证明，实现快速、安全且高效的跨分片执行，而无需长期锁定资产。
• 在 Quorum 上实现了原型系统，并使用基于真实以太坊交易数据的现实基准对性能进行了评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 分片区块链架构能否通过在工作分片中消除共识来降低跨分片交易的延迟？
• RQ2 与传统的两阶段提交（2PC）协议相比，所提出的参考分片协调模型在吞吐量和最终性时间方面表现如何？
• RQ3 从工作分片中移除共识在多大程度上能提升容错能力并降低通信开销？
• RQ4 基于真实以太坊交易的现实基准能否有效评估分片区块链系统的性能？

主要发现

• 与 2PC 基线相比，Rivet 显著降低了跨分片交易的确认延迟，因为一旦某个工作分片本地执行完交易，交易即被最终确定。
• 由于数据项被锁定的时间更短，Rivet 中跨分片交易的吞吐量更高，减少了争用并实现了更快的资源重用。
• Rivet 中的工作分片所需副本更少、通信更少，因为它们不运行共识，从而降低了运行开销。
• 在 50 多台 AWS EC2 实例上部署的原型系统验证了性能提升，证明了该方法的可行性和可扩展性。
• 基于真实以太坊交易的基准提供了比合成工作负载更准确、更真实的评估框架。