分片区块链：BrokerChain

BrokerChain: A Cross-Shard Blockchain Protocol for Account/Balance-based State Sharding - INFOCOM 2022

1. 现有方案的局限性

1.1 热分片现象

Monoxide分片方案采用 异步共识组 的结构，每个共识组（即分片）独立处理一部分交易。然而，由于区块链的 账户部署机制，某些分片可能成为 热门账户、资产、Dapp 等的聚集地，导致跨分片交易非常频繁，负载显著高于其他分片，即 热分片现象。

1.2 热分片带来的问题

1. 片内交易拥堵
2. 跨分片交易确认时间受影响，冷分片被迫等待热分片处理

2. BrokerChain的设计目标

为了解决热分片问题，BrokerChain从两个方面进行优化：

1. 尽可能让分片负载均衡
2. 减少跨分片交易

3. 网络分片、交易分片与状态分片

1. 网络分片：每个节点只与本分片的其他节点通信，减少通信开销，提高共识效率。
2. 交易分片：不同交易被分配到不同分片处理，单笔交易只需被特定分片独立执行，不需全网验证，提高吞吐量，减少计算压力。
3. 状态分片：将区块链的账户状态和存储数据划分到不同分片，每个分片只存储自己分片的账户数据，减少存储压力，提高查询效率。

4. BrokerChain的设计

4.1 两种分片

• M-shard（交易分片，Transaction Shard）：负责处理交易（TX）。
• P-shard（状态分配，
• Partition Shard）：负责维护账户状态，并调整分片的状态分布。

5. BrokerChain的运行阶段

5.1 身份建立阶段（Identity Establishment）

对应阶段：PoW 加入（图 ①）

5.1.1 过程

新节点需要通过 PoW（工作量证明） 机制加入某个分片（Shard）。在系统中，绿色的节点代表 诚实节点，红色的节点代表 可能的恶意节点。这个 PoW 机制确保了恶意节点不能轻易渗透整个系统。

5.1.2 原因

在一个分片化的区块链中，每个分片应该有足够的 诚实节点 来确保安全性。PoW 机制可以防止女巫攻击（Sybil Attack），即恶意用户伪造多个身份来破坏共识。

5.2 交易共识阶段（Transaction Consensus）

对应阶段：PBFT 交易共识（图 ②）

5.2.1 过程

每个 M-shard 处理交易，使用 PBFT 共识 来验证交易，并生成交易块（TX Block）。图中的蓝色和红色方框 代表交易块，它们在各自的 M-shard 内部达成共识。交易块会被不断生成，并传递到 P-shard，等待进一步处理。

5.2.2 细节解析

待上链交易池（左上角） 存储了当前所有待处理的交易。PBFT 共识协议（蓝色和红色框） 确保了所有 M-shard 内部的交易被正确处理，并形成新区块 $B^{t-1}$。

5.2.3 原因

传统区块链（如比特币、以太坊）的交易确认需要 全网同步，而 分片区块链（Sharding）允许多个分片同时并行处理交易，提高吞吐量。但这也带来了 跨分片交易（Cross-Shard Transaction，CTX）问题，因此 状态划分阶段 需要优化账户分布，减少 CTX 发生的概率。

5.3 状态划分阶段（State Partitioning）

对应阶段：账户交易关系分析 + 状态图划分（图 ③ 和 ④）

5.3.1 过程

P-shard（状态分片） 从 M-shard 生成的 TX 块中收集交易信息，并构造一个 账户交易关系图（State Graph）。这个状态图 描述了哪些账户之间存在频繁交易。基于交易关系，P-shard 重新划分分片，以减少跨分片交易的发生。

5.3.2 细节解析

图③：构建账户交易关系图
这个图是一个 带权图（Weighted Graph）：

• 节点（Node）= 账户
• 边（Edge）= 账户之间的交易关系
• 权重（Weight）= 交易次数

例如：

• 蓝色分片（#1）内的账户 4 与 6 之间有 3 笔交易。
• 红色分片（#2）内的账户 10 和 11 之间有 6 笔交易。

图④：状态分割调整
通过计算交易关系图，系统可以决定 哪些账户应该移动到不同的分片，以优化跨分片交易（CTX）。例如：

• 绿色账户在状态 #1 内与红色账户有较多交易，因此可能需要调整其分片归属，以减少跨分片交易的发生。

5.3.3 原因

跨分片交易的处理成本很高（需要多个分片协调）。通过优化账户分配，将交易最频繁的账户分配到同一个分片，可以显著提高效率。

5.4 状态重组阶段（State Reconfiguration）

对应阶段：PBFT 形成新状态块 + 迁移账户状态（图 ⑤ 和 ⑥）

5.4.1 过程

P-shard 运行 PBFT 共识，生成新的状态块 B^t。这个状态块包含 新的分片划分信息，并被广播到所有 M-shard。M-shard 根据状态块 B^t 重新调整账户的状态归属。

5.4.2 细节解析

图⑤：PBFT 确认新的状态分区
经过前面的状态划分后，新的状态分区方案需要达成共识（PBFT）。这个新状态块 B^t 会被广播到所有 M-shard，以便应用到下一个纪元（Epoch）。

图⑥：状态迁移
M-shard 依据 状态块 B^t 的信息，对账户进行分片调整。 例如：

• 之前 状态 #1 中的绿色账户被迁移到状态 #2，因为它与状态 #2 的账户交易更频繁。

5.4.3 原因

这是 整个优化过程的最终步骤，确保所有分片在新的纪元（Epoch t+1）中能够按照最优状态继续运行。状态的动态调整，可以适应不同时间段的交易行为，保持系统的长期优化。

6. 实际例子

假设我们有一个 包含两个分片（Shard #1 和 Shard #2） 的区块链系统，以及 三个账户（A、B 和 C)。

当前账本包含 三笔原始交易：

• TX #1: A → C
• TX #2: B → C
• TX #3: A → B

6.1 对比

Monoxide：

• Shard 1：A
• Shard 2：B、C
• Cross-Shard：TX 1, TX 3
• Intra-Shard：TX 2

两个问题：

1. 分片1、2的负载不均衡
2. 3笔交易中两笔是跨分片交易

BrokerChain：

• 将C拆成 C1 + C2，分别放置在两个分片中
• Shard 1：A、C1
• Shard 2：B、C2
• Cross-Shard：TX 3
• Intra-Shard：TX 1, TX 2

结果：

• 减少了一笔跨分片交易
• 两笔交易负载均衡

7. BrokerChain的账户分片机制

7.1 特点

1. 账户地址相同：所有分片中的账户地址保持一致。
2. 协议自动调整：整个流程对用户透明，无需手动管理多个账户。
3. 优势：
   • 减少用户负担：无需手动创建多个账户。
   • 避免跨分片交易复杂性：一个账户在多个分片拥有不同状态，跨分片交易变为片内交易。
   • 提高流动性和安全性：假设A的资金在多个分片上，即使某个分片有问题，A仍然可以通过其他分片访问到自己的资金。

7.2 nonce机制

BrokerChain采用了 以太坊的nonce（计数器）机制，其中：

• nonce 代表交易次数。
• 在这里是”账户+分片+nonce“全局唯一，全网全同，来表示某个账户在某个分片上唯一的交易状态。

例如：

• 在 Shard #1，A 账户的 nonce 是 10，表示 A 在 Shard #1 进行了 10 次交易。
• 在 Shard #2，A 账户的 nonce 是 5，表示 A 在 Shard #2 进行了 5 次交易。

8. mSST（Modified Shard State Tree）

8.1 结构

每个账户状态 $S_{\mu }$ 被定义为：
S μ = { X μ ∣ η , ω , ζ } S_\mu = \{X_\mu | η, ω, \zeta \} Sμ​={Xμ​∣η,ω,ζ}

• $X_{\mu }$ （Account Address）：账户地址
• $\eta$ （Nonce）：交易数
• $\omega$ （Value）：账户余额
• $\zeta$ （Code）：账户的代码，表示账户类型（普通账户、智能合约账户）

8.2 存储映射向量（Storage Map）

$mSST$ 还包含一个 存储映射向量（Storage Map），记录某个账户在哪些分片中存储：
e = [ e 1 , e 2 , . . . , e S ] , e i ∈ { 0 , 1 } , i ∈ { 1 , 2 , . . . , S } e=[e_1,e_2,...,e_S],e_i∈\{0,1\},i∈\{1,2,...,S\} e=[e1​,e2​,...,eS​],ei​∈{0,1},i∈{1,2,...,S}

• $S$ 是分片的数量（Number of Shards）。
• $e_i=1$ 表示账户存储在 Shard i，否则不存储。

通过查询Storage Map,可以快速判断某笔交易的状态（跨片 or 片内）。

8.3 mSST的结构

上图展示了mSST的结构，主要由3部分组成：

• 左侧：整个区块的一些状态信息（状态根、交易Merkle根、区块头……）
• 中间：主体（示例为Shard 1的mSST结构）
• 右侧：简化的Shard 1的状态信息

其中中间主体部分为mSST的具体结构，我的个人理解如下：

• 绿色的为分支节点，展示公共前缀。
• 灰色的为叶子节点，存储当前账户的具体交易信息。
• 交易账户由 根-叶子 这条路径连线所确定。

8.4 效率

mSST是一种高效的数据结构：

• 判断交易类型复杂度为O(1)
• 查询账户余额的复杂度为O(n)，其中n为该账户所在分片数。

9. BrokerChain的跨分片交易处理

9.1 传统方法

1. A 在 Shard 1 发送交易。
2. Shard 1 预扣 A 200元，生成 CTX Proof 证明A有钱进行交易，并将Proof发送给Shard 2。
3. Shard 2 验证Proof，给 B +200元，把 CTX Receipt 返回给 Shard 1。
4. Shard 1 确认了 Receipt 之后，正式扣除 A 200元。

问题：

• 不同分片需要通信，会有网络延迟，极大降低性能。
• 可能导致分片负载不均衡，特别是当跨片交易数量多时。

9.2 BrokerChain的创新方法

引入 做市商Broker（可以理解为中间人）：

• Broker 在 Shard 1 和 Shard 2 都拥有账户。
• 协助完成这笔跨片交易，直接将1笔跨片变成2笔片内，无需跨分片通信，即刻执行，极大提升了性能。