[论文解读] vDLT: A Service-Oriented Blockchain System with Virtualization and Decoupled Management/Control and Execution

F. Richard Yu|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 22被引用 7

一句话总结

vDLT 提出了一种面向服务的区块链系统，将管理/控制与执行解耦，并通过虚拟化技术支持跨应用的多样化服务质量（QoS）需求，如延迟、吞吐量、成本和隐私。通过将服务分类为具有 QoS 意识的层级，并支持动态、隔离的虚拟 DLT 实例，vDLT 相较于传统区块链系统，在可扩展性、去中心化和适应性方面均有提升。

ABSTRACT

A wide range of services and applications can be improved and/or solved by using distributed ledger technology (DLT). These services and applications have widely varying quality of service (QoS) requirements. However, most existing DLT systems do not distinguish different QoS requirements, resulting in significant performance issues such as poor scalability and high cost. In this work, we present vDLT -- a service-oriented blockchain system with virtualization and decoupled management/control and execution. In vDLT, services and applications are classified into different classes according to their QoS requirements, including confirmation latency, throughput, cost, security, privacy, etc. This is a paradigm shift from the existing "blockchain-oriented" DLT systems to next generation "service-oriented" DLT systems. Different QoS requirements are fulfilled by advanced schemes inspired by the development of the traditional Internet, including classification, queuing, virtualization, resource allocation and orchestration, and hierarchical architecture. In addition, management/control and execution of smart contracts are decoupled to support QoS provisioning, improve decentralization, and facilitate evolution in vDLT. With virtualization, different virtual DLT systems with widely varying characteristics can be dynamically created and operated to accommodate different services and applications.

研究动机与目标

• 解决现有区块链系统对所有应用一视同仁所导致的可扩展性和 QoS 限制问题。
• 实现具有不同需求（如低延迟、低成本或高隐私）的服务在单一 DLT 平台上的高效共存。
• 将管理/控制与执行解耦，以提升去中心化程度，支持动态资源分配，并实现系统组件的独立演进。
• 引入分层虚拟化架构，支持具备不同特性的多个隔离虚拟 DLT 系统。
• 建立一种自修正治理模型，结合多因子共识与二次投票机制，实现协议的可持续演进。

提出的方法

• 根据确认延迟、吞吐量、成本、安全性和隐私等需求，将服务分类为 QoS 类别。
• 将管理/控制功能（如共识、节点选择、资源分配）与执行解耦，以实现独立优化。
• 通过虚拟化技术动态创建和管理多个隔离的虚拟 DLT 系统，每个系统均针对特定服务类别进行定制。
• 采用分层架构，结合本地和全局管理/控制节点，以提升系统性能并减轻中心化压力。
• 引入基于代币的激励机制，包含通胀和质押机制，以奖励积极参与行为并保障系统安全。
• 通过抵押品没收和基于证据的报告机制，实施违规行为和搭便车行为的惩罚机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 区块链系统如何有效支持异构应用之间的多样化服务质量（QoS）需求？
• RQ2 在 DLT 系统中，为实现管理/控制与执行的解耦，需要哪些架构和操作层面的变更？
• RQ3 如何利用虚拟化技术创建多个具有不同性能和安全特性的隔离 DLT 实例？
• RQ4 何种治理机制能够实现 DLT 协议的可持续、自修正演进，同时不损害去中心化特性？
• RQ5 如何设计激励与惩罚机制，以防止搭便车行为并保障系统的长期完整性？

主要发现

• vDLT 允许具有截然不同 QoS 需求的服务（如实时支付与低成本物联网交易）在单一统一系统中高效共存。
• 通过将管理/控制与执行解耦，vDLT 提升了去中心化程度，并支持共识、资源分配和执行的独立优化。
• 利用虚拟化技术可动态创建多个虚拟 DLT 系统，每个系统均针对特定服务类别进行定制，显著增强了灵活性和隔离性。
• 分层管理/控制架构通过在本地和全局控制节点之间分担负载，支持系统可扩展性。
• 具备多因子共识与二次投票机制的自修正治理模型，可通过分阶段测试与投票，实现安全、社区驱动的协议演进。
• 激励与惩罚机制（包括质押和抵押品没收）能有效遏制恶意行为与搭便车行为，提升系统可靠性。