[论文解读] Implementation of Smart Contracts Using Hybrid Architectures with On- and Off-Blockchain Components

Carlos Molina-Jiménez, Ioannis Sfyrakis+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 29被引用 5

一句话总结

本文提出了一种混合智能合约架构，将执行过程在链上（Ethereum）和链下组件之间拆分，以克服纯区块链或集中式系统在可扩展性和信任方面的局限性。通过使用可信第三方（TTP）进行链下验证，并在以太坊上执行最终裁决，该方法实现了性能和质量服务（QoS）的提升，其有效性已在Rinkeby网络上的机械测试序列中得到验证。

ABSTRACT

Recently, decentralised (on-blockchain) platforms have emerged to complement centralised (off-blockchain) platforms for the implementation of automated, digital (smart) contracts. However, neither alternative can individually satisfy the requirements of a large class of applications. On-blockchain platforms suffer from scalability, performance, transaction costs and other limitations. Off-blockchain platforms are afflicted by drawbacks due to their dependence on single trusted third parties. We argue that in several application areas, hybrid platforms composed from the integration of on- and off-blockchain platforms are more able to support smart contracts that deliver the desired quality of service (QoS). Hybrid architectures are largely unexplored. To help cover the gap, in this paper we discuss the implementation of smart contracts on hybrid architectures. As a proof of concept, we show how a smart contract can be split and executed partially on an off-blockchain contract compliance checker and partially on the Rinkeby Ethereum network. To test the solution, we expose it to sequences of contractual operations generated mechanically by a contract validator tool.

研究动机与目标

• 解决纯链上或链下智能合约平台在满足严格服务质量（QoS）要求方面的局限性。
• 探索结合区块链可信性与链下系统性能的混合架构。
• 展示一种实用的混合智能合约实现，其中部分逻辑在以太坊上运行，部分在可信的链下组件上运行。
• 通过合同验证工具生成的自动化测试序列验证该架构。
• 为未来涉及多个独立平台的跨智能合约应用提供基础。

提出的方法

• 将智能合约拆分为两个组件：链下合同合规检查器（off-blockchain）和链上裁决验证模块（on-blockchain），后者部署在以太坊Rinkeby网络上。
• 链下组件使用标准API对接合同操作进行初始验证，并将结果返回给链上组件。
• 链上组件接收来自链下模块的输入，验证其正确性，并将裁决记录在不可篡改的日志中。
• 系统使用以太坊的Solidity语言实现链上逻辑，并依赖标准接口以实现组件间的互操作性。
• 通过机械生成的合同操作序列对架构进行测试，以模拟真实使用场景并验证正确性。
• 通过明确定义的网关和API实现组件间的协调，支持扩展至多个链上和链下组件。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合链上和链下组件的混合架构是否能有效提升智能合约的服务质量（QoS），相较于纯区块链或集中式系统？
• RQ2 如何安全可靠地将链下组件与链上验证集成，以维持信任和完整性？
• RQ3 在设计和实现具有可验证性和可测试性的混合智能合约系统时，面临哪些实际挑战？
• RQ4 链下组件在不损害安全性的情况下，能在多大程度上提升性能并降低交易成本？
• RQ5 此类混合架构能否推广以支持跨独立平台的多个相互关联的智能合约？

主要发现

• 该混合架构成功将高吞吐量、低延迟的验证与最终的无信任验证解耦，从而实现了更优的整体QoS。
• 链下组件通过处理初步检查，减轻了链上负载，提升了可扩展性并降低了交易费用。
• 系统通过机械生成的合同操作序列成功完成测试，证明了其功能正确性和鲁棒性。
• 使用可信第三方（TTP）处理链下操作，在保持链上终局性验证的前提下带来了性能优势。
• 该架构证明具备可扩展性和可组合性，可通过标准化API支持未来多个链上和链下组件的集成。
• 该方法为当前区块链智能合约的局限性提供了务实且可实现的解决方案，尤其适用于对高吞吐量和低延迟有要求的应用。