Towards Scaling Blockchain Systems via Sharding

Abstract

作者將數據庫中成熟的sharding技術應用於區塊鏈，提高吞吐量。

1. 改進了PBFT的性能，提高了單個shard的吞吐量
2. 設計了一個高效的shard formation protocol
3. 設計了存在惡意節點情況下通用的分佈式事務協議

作者的很多設計依賴於Intel的SGX。

Introduction

區塊鏈系統在分佈式的惡意環境中提供數據透明性、完整性、不可篡改性，爲了支持這些性質，區塊鏈難以擴展（節點數和TPS都比較低）。
目前有兩種擴展方式，一是使用可信任硬件，二是使用sharding技術。Elastico、OmniLedger、RapidChain都使用了sharding技術，不過侷限於加密貨幣，並不支持通用的交易。
作者將sharding應用於permissioned blockchain，使得區塊鏈網路支持更多的節點、支持更高的吞吐量（2000到4000每秒）。
並使區塊鏈應用不再侷限於加密貨幣。

sharding技術需要確保atomicity和isolation，也就是ACID中的原子性和獨立性。
由於傳統數據庫是crash-failure模型，而區塊鏈是Byzantine failure模型，因此不能直接應用，需要先解決三個問題：

1. 擴展拜占庭共識算法
2. 實現安全高效的shard formation（也就是將節點分到不同的shard的策略）
3. 要處理coordinator是惡意節點的情況

第一個問題使用SGX消除拜占庭節點的equivocation行爲，將容錯率從(n-1)/3提高到(n-1)/2。除此之外還做了一些別的優化。
第二個問題，也是使用SGX產生隨機數，保證隨機分配。
第三個問題採用了兩段鎖和兩階段算法（BFT），支持惡意環境下的分佈式事務(cross-shard transacitons)。

Preliminaries

Sharding in Databases

數據庫中將數據庫分割成多個小數據庫，提高數據庫處理事務的能力。使用two-phase commit保證原子性，two-phase locking進行併發控制來隔離事務。

Blockchains Consensus Protocols

與傳統分佈式不同，網絡中可能存在拜佔停節點。
主要有兩種共識算法，一種是公鏈普遍採用的，比如PoW，另一種是PBFT的變體。
共識算法需要保證兩個重要的性質，一是liveness，也就是所有節點最終達成一致，二是safety，所有正常節點達成一致不產生分歧。
PoW共識算法在同步網絡中可以達到50%的容錯能力，而在部分同步網絡情況下迅速下降到33%的容錯能力。吞吐量低，但是很容易擴展到很多節點。
PBFT可以達到(n-1)/3的容錯率。共識速度塊，吞吐量高，但是較難擴展（因爲共識需要的消息是$O(N^2)$）

Trusted Execution Environment(TEE)

這裏不做介紹，稍後會寫一篇詳細介紹SGX。

Overview

Goals

1. 支持大型網絡（像Bitcoin和Ethereum那麼大）
2. 支持高吞吐量（像中心化的機構一樣，比如visa）
3. 支持通用的應用（不只是加密貨幣的交易）

Challenges and Approach

要想支持高吞吐量，就得建立在permissioned blockchain基礎上，而permissioned blockchain需要BFT共識，無法擴展到大型網絡。
作者採用SGX提高了BFT共識的容錯能力（減小了shard的size），採用sharding技術支持大型網絡（在每一個小的shard內纔可以進行BFT共識），利用SGX將node分配到shard中。
作者通過使用2PC和2PL保證了cross-shard transaction的safety，在BFT shard上運行2PC保證了liveness。

System and Threat Model

…

Scaling Consensus Protocols

作者進行了一番比較之後決定擴展PBFT：

• 改進communication overhead
• 提高容錯能力

Reducing the number of nodes

如果能阻止拜占庭節點的equivocation行爲（也就是給不同的節點發不同的消息），就可以將容錯能力提高到$\frac{n-1}{2}$.

作者採用了Attested Append-Only Memory方法（需要SGX）消除equivocation行爲，基於此實現了AHL（Attested HyperLedger）。

Optimizing commications

實驗證明只進行上述優化還是無法進行理想的擴展。作者發現是由於很多共識消息被丟棄了（隊列滿了），又提出兩點優化：

• 將Hyperledger Fabric原始的一個消息隊列分成兩個，一個用來處理交易請求，另一個用來處理共識消息，基於此實現了AHL+
• 當節點收到request時，不再進行廣播，而是隻將request轉發給leader（因爲之後PBFT中leader會進行廣播）
• 採用了Byzcoin中的優化，使用collector，將消息從$O(N^2)$降到$O(N)$，基於此實現了AHLR（Attested Hyperledger Relay）

Shard Formation

1. 真正隨機分配
2. 合理選擇shard的size
3. 週期更新shard

Distributed Transactions

爲了safety，採用了2PC和2PL
爲了防止惡意的coordinator，使用了BFT reference committee®作爲coordinator，然後就是正常的2PC了。