区块链分片策略的改进研究

【摘要】：分片技术是解决区块链可扩展性问题的一个有效方案。以Elastico为代表的传统分片区块链中采用的分片方式为随机分片,这种分片区块链没有考虑节点之间的性能差异,而是将节点直接随机的分配到不同分片中。这种分片策略使得不同分片之间的出块速度存在较大的差距,导致区块链产生较大的性能瓶颈;在网络中存在恶意节点时,随机分片还有可能使部分分片中恶意节点占比过高,导致这些分片被控制,从而使区块链的安全性降低。为了解决节点差异给Elastico等随机分片区块链带来的性能问题,本文提出了基于节点评分的分片策略(Node Rating based Sharding Scheme,NRSS)。相较于传统的随机分片区块链,基于NRSS的区块链具有如下优势:(1)NRSS通过节点评分机制和基于评分的分片策略,缩小了不同分片之间的性能差距,提升了区块链的性能;(2)NRSS提出对恶意节点的监测与评分惩罚机制,结合基于评分的分片策略,能够降低恶意节点控制分片的可能性,提高了分片区块链的安全性。论文用Go语言实现了基于NRSS的分片区块链与Elastico的随机分片策略,并设计了节点存在性能差异的吞吐量实验、存在恶意节点的安全实验和综合两种影响因素的综合实验。实验结果表明,在节点性能存在差异的模拟环境中,基于NRSS的区块链能比Elastico有更高的交易吞吐量与平均响应延迟;在存在恶意节点的环境中,基于NRSS的区块链的交易吞吐量能比Elastico受到更小的影响,有更高的安全性。