[论文解读] Service-Oriented Sharding with Aspen

Adem Efe Gencer, Robbert van Renesse+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 7被引用 24

一句话总结

本文提出 Aspen，一种面向服务的分片协议，可在不损害比特币无信任模型的前提下，实现多个去中心化服务的安全、可扩展区块链部署。通过使用独特的服务编号对交易按服务进行分区，并共享检查点，Aspen 允许用户仅验证相关数据，从而减少资源开销和启动时间，同时通过工作量证明和毒药交易维持强大的安全保证。

ABSTRACT

The rise of blockchain-based cryptocurrencies has led to an explosion of services using distributed ledgers as their underlying infrastructure. However, due to inherently single-service oriented blockchain protocols, such services can bloat the existing ledgers, fail to provide sufficient security, or completely forego the property of trustless auditability. Security concerns, trust restrictions, and scalability limits regarding the resource requirements of users hamper the sustainable development of loosely-coupled services on blockchains. This paper introduces Aspen, a sharded blockchain protocol designed to securely scale with increasing number of services. Aspen shares the same trust model as Bitcoin in a peer-to-peer network that is prone to extreme churn containing Byzantine participants. It enables introduction of new services without compromising the security, leveraging the trust assumptions, or flooding users with irrelevant messages.

研究动机与目标

• 解决在比特币等单体区块链上部署多个服务所引发的可扩展性和信任问题。
• 在不分散挖矿算力的前提下，实现多种基于区块链的服务的安全、高效且可扩展的部署。
• 允许用户仅验证与其服务相关的数据，从而减少启动时间和资源消耗。
• 在支持分片的同时，维持比特币的信任模型——无信任实体，无权限访问。
• 防止跨服务的双重支付，并在无需对所有数据进行全局共识的情况下，确保各分片间的一致性。

提出的方法

• 将区块链划分为针对特定服务的通道，每个通道拥有独立的交易集，并从同一创世块共享检查点。
• 为每个服务分配唯一的服务编号，以实现交易路由和选择性验证。
• 使用工作量证明保护每个区块，并通过共享检查点维持各通道间的全局一致性。
• 通过最长链规则结合随机破局机制，以及毒药交易，实现关键区块和微型区块的分叉保护。
• 通过可调节的关键区块频率，将审查限制在单个矿工周期内，从而减少攻击面。
• 采用与比特币相同的信任模型，包括存在拜占庭参与者的点对点网络，且无中心化权威机构。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不牺牲无信任可审计性或不需对所有数据进行全局共识的前提下实现区块链分片？
• RQ2 如何在不使账本膨胀的前提下，安全且可扩展地让多个服务共存于单一区块链基础设施之上？
• RQ3 是否可能实现区块链分片，使用户仅需追踪与其服务相关的数据，同时维持强大的安全保证？
• RQ4 如何在不使所有节点存储或处理所有交易数据的前提下，确保跨服务交易的有效性？
• RQ5 是否可以通过对比特币信任模型的最小改动，实现分片，同时保持对双重支付和审查的抵抗能力？

主要发现

• Aspen 允许用户仅验证与特定服务相关的区块链子集，显著减少启动时间和资源消耗。
• 该协议维持了比特币的信任模型，确保不依赖任何信任实体或权限参与者。
• 通过共享检查点和工作量证明，跨服务交易的花费得到保护，防止跨分片的双重支付。
• 审查行为被限制在单个矿工周期内，降低了恶意或故障矿工的影响。
• 通过在所有服务间保留原始区块链的总计算能力，系统避免了挖矿算力的碎片化。
• Aspen 支持动态服务集成，且不损害安全性，也无需改变底层的信任假设。