[论文解读] Speeding up Block Propagation in Blockchain Network: Uncoded and Coded Designs

Lihao Zhang, Taotao Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 18被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型的比特币区块传播协议，通过结合逐段转发与速率无关的纠错编码技术，并在紧凑区块中继机制中应用，使交易吞吐量提升100倍，而无需改变共识机制。该方法即使在处理大区块时也能显著降低区块传播延迟，同时保持安全性，并可无缝集成到现有区块链网络中。

ABSTRACT

We design and validate new block propagation protocols for the peer-to-peer (P2P) network of the Bitcoin blockchain. Despite its strong protection for security and privacy, the current Bitcoin blockchain can only support a low number of transactions per second (TPS). In this work, we redesign the current Bitcoin's networking protocol to increase TPS without changing vital components in its consensus-building protocol. In particular, we improve the compact-block relaying protocol to enable the propagation of blocks containing a massive number of transactions without inducing extra propagation latencies. Our improvements consist of (i) replacing the existing store-and-forward compact-block relaying scheme with a cut-through compact-block relaying scheme; (ii) exploiting rateless erasure codes for P2P networks to increase block-propagation efficiency. Since our protocols only need to rework the current Bitcoin's networking protocol and does not modify the data structures and crypto-functional components, they can be seamlessly incorporated into the existing Bitcoin blockchain. To validate our designs, we perform analysis on our protocols and implement a Bitcoin network simulator on NS3 to run different block propagation protocols. The analysis and experimental results confirm that our new block propagation protocols could increase the TPS of the Bitcoin blockchain by 100x without compromising security and consensus-building.

研究动机与目标

• 为解决比特币和以太坊中交易吞吐量（TPS）较低的问题，尽管其安全性较强，但限制了现实世界的应用。
• 在不修改共识协议或数据结构的前提下提升TPS，以保持区块链的安全性和隐私性。
• 在传输大区块时降低区块传播延迟，否则将导致无效区块率上升并危及安全性。
• 设计一种可扩展、向后兼容的网络协议，可部署于现有区块链网络中。

提出的方法

• 用逐段转发机制替代原有的存储-转发紧凑区块中继方案，以实现区块分段的并行接收与转发。
• 引入速率无关的纠错编码，使对等节点可从任意子集的编码符号中重构源区块，提升容错性与带宽利用率。
• 设计一种编码型逐段转发紧凑区块中继（Coded Cut-through CBR）协议，结合逐段转发与速率无关编码以实现最大效率。
• 采用理论线性网络模型分析协议性能并验证设计假设。
• 在NS3中实现完整的比特币网络仿真器，评估不同区块大小与协议下的延迟、无效区块率及传播发散性。
• 评估四种协议：标准中继（SR）、紧凑区块中继（CBR）、逐段转发CBR与编码型逐段转发CBR，覆盖1 MB至100 MB的区块大小。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大区块场景下，与存储-转发和紧凑区块中继相比，逐段转发能否降低区块传播延迟？
• RQ2 在P2P区块链网络中，速率无关纠错编码能在多大程度上提升区块传播效率？
• RQ3 当区块大小增加100倍时，逐段转发与速率无关编码的结合是否仍能保持低传播延迟？
• RQ4 在不同中继协议下，传播发散因子Δ与无效区块率如何随区块大小增加而变化？
• RQ5 所提出的协议能否在不修改共识机制或数据结构的前提下实现100倍的TPS提升？

主要发现

• 在传播100 MB区块时，与标准中继（SR）相比，逐段转发CBR将中位数区块传播延迟降低至三分之一，尾部延迟降低超过100倍。
• 与逐段转发CBR相比，编码型逐段转发CBR在不同k值（码率）下，将中位数与尾部延迟降低至最多两倍。
• 当区块大小从1 MB增至100 MB时，使用最优k值的编码型逐段转发CBR的传播发散因子Δ仍保持与SR在1 MB区块大小下的水平。
• 当区块大小从1 MB增至100 MB时，CBR的无效区块率约增加30倍，但编码型逐段转发CBR的无效区块率保持较低水平，从而保障了安全性。
• 所提出的协议在不改变共识或数据结构的前提下，实现了100倍的TPS提升，同时保持与原始1 MB区块协议相同的传播延迟。
• 仿真结果证实，新协议具备可扩展性、安全性，并与现有比特币网络向后兼容，可在无需协议层更改的情况下实现部署。