EOVPR:支持事务重排序和并行验证的区块链框架

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比特币的出现让大家开始重视其底层的区块链技术,目前基于区块链技术的应用涉及防伪溯源、数字版权、公共服务以及医疗健康等众多领域。从事务处理的角度看,公有链面临挖矿算法效率低下、各节点顺序执行事务造成事务吞吐量缓慢等问题,而联盟链赋予部分执行节点少量信任并利用高效的共识算法提升了区块链处理事务的能力。超级账本Fabric是联盟链的代表之一,该系统借鉴乐观并发控制的思想实现了事务的并行执行,在一定程度上提升了区块链的事务吞吐量。但是,这种高效仅适用于数据竞争程度较少的情况,如果大量事务访问相同的数据,并且在验证阶段才检查事务是否有效,则事务吞吐量会大幅度地下降。同时,超级账本Fabric未充分利用联盟链中同一组织内各节点相互可信的特性,在验证阶段组织内的各节点验证相同的事务造成了冗余工作,限制了区块链网络的可扩展性。另外,超级账本Fabric验证阶段的时间开销明显限制了端到端的事务吞吐量,由于验证阶段的背书策略验证存在许多数字签名验证导致需要大量计算资源,超级账本Fabric在背书策略验证的耗时占据整个验证阶段很大的比重。针对上述缺点,在超级账本EOV框架的基础之上,提出一种排序阶段和验证阶段可同时进行的执行-排序&验证-重执行(Execute-Order&Validate-Re-execute,EOVPR)区块链事务处理框架。EOVPR框架在排序阶段将后续验证背书策略的工作提前分配给具备高计算力的辅助节点,在排序节点对事务顺序达成共识的同时,辅助节点对事务的背书策略进行验证工作,排序节点的共识过程与辅助节点的验证工作互不影响,大幅度降低后续验证阶段的时间开销。为了在数据竞争程度较高的情况下保证区块链的性能并尽早终止无效事务,提出了事务重排序策略。在执行阶段对节点收到的事务进行重排序减少了无效事务的数量,在排序阶段设计事务冲突分析组件和图生成组件得到事务间的冲突关系,基于重排序算法生成依赖图并终止无效事务,依赖图还可保证后续验证阶段的数据正确性。对于在验证阶段被检测出来的无效事务,对其重新执行以免让无效事务进入新一轮的事务执行流程,提升了区块链的事务吞吐量。为了加快节点对事务的验证效率,利用联盟链中同一组织内节点之间相互信任的特性,组织内各个节点并行验证不同的事务并对验证结果进行同步,降低验证阶段延时。同时,新节点加入区块链网络能进一步提升事务验证速度,提升了区块链的可扩展性。实验结果表明,针对超级账本EOV框架中各阶段的问题而提出的EOVPR框架大大提升了区块链性能和事务吞吐量,同时降低了系统的延时。
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