以太坊区块链技术中用于提升扩展性的最优动态分片流程

《Computers and Electrical Engineering》：An optimal dynamic sharding process in Ethereum blockchain technology for scalability enhancement

　　摘要
区块链是一种分布式账本，通过加密技术防止伪造和篡改。它以有序的方式存储数据块，形成链式数据结构。区块链具有可编程性、可追溯性、集体维护性和去中心化等特性，因此在全球商业和学术领域备受关注。在物联网、社交网络、医疗保健和金融等领域，区块链技术已得到广泛研究。然而，现有区块链架构中的每个节点都需要处理完整交易，这导致了较差的可扩展性和吞吐量，从而限制了其应用范围。例如，比特币的每秒处理交易数为7次，而以太坊为10次。较低的处理速度会导致网络拥堵和交易积压。为提升区块链的可扩展性，分片策略是一种有效解决方案，但其在为各分片分配合适可信节点以满足效率和安全性要求方面存在难题。传统的区块链分片方法未能充分考虑分片间的信任差异、节点数量差异以及通信延迟差异，进而增加了区块链故障的风险。为解决这些问题，本研究提出了基于以太坊区块链技术的最优动态分片机制，以提高其可扩展性。首先对输入数据进行初始化，然后借助改进的袋熊优化算法（REWO）实现最优动态分片。该算法通过重点考虑分片间的信任差异，进行优化节点分配，其核心思想是为不同分片分配具有不同信任级别的节点。此外，REWO还会不断调整节点分配，以获得近乎最优或最优的节点组合。同时，该算法还能衍生出TPS、延迟、资源利用率和网络拥堵等多目标函数。最后，通过实验对比该方案与传统方法的性能，验证了其优势。实验结果表明，所提出的REWO方案可使网络拥堵程度降低71.79%，故障概率降至0.55487%，安全系数达到96.587%，性能优于传统方法。

引言
如今，区块链技术因其在多种场景中的应用而受到全球关注，比如用于创建各类非同质化代币和加密货币[1]。区块链是一种分布式且经过加密的数据源，通过点对点网络分布在多个节点上。区块链的核心目标包括分布式共识、透明性和不可变性，这些特性能够提升物联网网络的测试效率、数据完整性以及用户与系统之间的安全性[2]。区块链技术已被应用于娱乐、保险、能源、医疗保健和金融等多个领域，未来还有望在物联网和联邦数据验证等领域发挥更大作用[3]。不过，传统区块链模型在可扩展性方面存在显著挑战。随着区块链规模扩大，每个节点在共识运算中都需要承担大量的计算、通信和存储开销，这会影响其在大规模场景下的应用[4]。为解决可扩展性问题，分片技术作为一种有效手段，提升了共识效率，改善了区块链的可扩展性[5]。分片的基本思路是将网络划分为多个独立的分片，每个分片由一组节点组成，共同形成共识群体，从而并行处理交易[6]。分片内的共识称为内部分片共识，涉及的共识节点较少，需要处理的交易数量也较少[7]，因此能大幅降低存储和通信开销。区块链分片协议发展出了状态分片技术，进一步优化了底层分片设计，使区块链的可扩展性得到一定提升，同时也提高了系统吞吐量，降低了交易延迟，相比传统区块链模型有明显优势[8]。尽管分片机制在提升区块链性能方面取得了显著进展，但目前的分片区块链仍存在诸多功能问题，其中最突出的是跨分片交互问题[9]。为确保区块链的安全性和一致性，跨分片交易的处理依赖于数据传输和各分片间的协调，这会增加系统负担，限制后续性能提升，进而制约区块链分片的可扩展性[10]。有效的跨分片通信协议可以解决这些问题。通常，跨分片交易涉及多个阶段：首先在源分片发起交易，进行本地验证并临时锁定相关状态；随后将消息安全地传输到目标分片进行进一步验证；最后确保各分片之间的一致性。在所提出的模型中，这一流程通过基于REWO的优化节点分配策略得以简化，从而减少跨分片交易频率，降低分片间通信延迟，进而提升整体系统的可扩展性和吞吐量。此外，当使用哈希地址分配任务时，某些分片会处理不同的任务，导致交易处理和验证过程延迟，而其他分片则因部分任务被占用而处于空闲状态，进而影响系统功能并降低资源利用率[11]。分片技术被视为解决可扩展性问题的有效方案，但在高级应用场景中仍存在一些问题[12]。首先，区块链分片的启动阶段会产生相当大的开销[13]。分片过程需要一个重排机制，定期更新各分片中的验证值，以防止异常节点获取控制权，同时提升安全性[14]，但这种重配置会增加分片运行期间的状态同步开销。其次，区块链账本不断增长的数据量也会带来诸多问题。例如在医疗物联网领域，越来越多注重健康的人士使得医疗系统产生海量数据[15]，医疗区块链难以处理如此庞大的数据量，不仅带来较大的网络负担，还会增加区块链启动阶段的开销。最后，不同分片中大量旧数据的实际价值下降，导致验证成本上升[16]。复杂的验证逻辑和历史交易使得分析过时数据需要高昂的成本。尽管目前专家们已在调整跨分片比例、交易处理延迟和分片区块链的吞吐量方面取得了一些成果，但随着区块链应用场景的不断发展以及交易量的急剧增长，对更加稳定高效的分片模型的需求愈发迫切[17]。因此，本研究提出了一种基于新优化方法的最优动态分片方案。

该最优动态分片方案的主要贡献如下：
• 提出了一个最优动态分片框架，旨在提升以太坊区块链的可扩展性、安全性和可靠性。通过根据节点的信任级别将其分配到相应分片，并优化分片管理，该框架有助于降低恶意活动风险，进一步提升区块链网络的安全性与可扩展性。这一方案对推动去中心化技术的发展具有重要意义。
• 设计了一种名为REWO的新算法，通过对传统袋熊优化算法（WOA）的优化阶段进行改进，以解决复杂的优化问题。REWO具备适应网络变化的能力，可优化分片分配，使其成为多种应用场景的理想工具。该算法的高收敛性和优异性能进一步体现了其高效性。
• 基于REWO实现了最优动态分片流程，通过优化节点分配和分片管理，提升了以太坊区块链的每秒处理交易数，降低了延迟、资源利用率和网络拥堵。这有助于解决以太坊区块链面临的主要问题，使其能够支持更多应用场景。

以太坊区块链中的最优动态分片方案包含以下几部分：第二部分阐述了传统动态分片模型及其优缺点；第三部分详细介绍了以太坊区块链及其分片过程和可扩展性问题；第四部分提出了针对以太坊区块链动态分片的新策略及优化算法；第六部分介绍了基于REWO的最优动态分片算法及其目标函数；第六部分还包含了该最优动态分片方案的实验测试结果；第七部分则总结了所提出的策略。

相关研究
2023年，Set和Park[18]提出了一种服务感知型动态分片框架，旨在提升区块链系统的可扩展性。该框架通过将跨分片交易中使用的数据动态转移到相似分片中，同时自适应地将两个或多个相似分片与单个分片关联起来，从而降低用户交易的延迟，提升现有区块链模型的吞吐量。

以太坊区块链及其可扩展性问题
以太坊区块链[26]是一种开源的去中心化平台，可用于开发去中心化应用和智能合约。继比特币之后，以太坊成为第二大加密货币，由Vitalik Buterin于2015年推出。本质上，以太坊是一种区块链模型，允许开发者使用Solidity编程语言部署和构建自动执行合约。智能合约能够自动化各种操作，包括复杂的商业流程。

以太坊区块链中拟开展工作的概述
以太坊区块链是一种开源的去中心化区块链模型，具备智能合约功能。尽管具有巨大的创新潜力，但其可扩展性存在严重问题，这限制了其在大规模应用中的普及。这些问题源于网络处理大量交易的能力有限，从而导致网络拥堵、交易费用上升以及交易处理速度缓慢。

最优动态分片流程
传统的以太坊区块链分片流程存在性能和可扩展性方面的问题。低效的节点分配是其中一大问题，它不仅降低了系统性能，还加剧了网络拥堵和延迟。此外，传统模型忽视了节点的信任级别，在分配节点到分片时未充分考虑其信誉和可靠性。为解决这些问题，本研究引入了REWO算法。首先，分析了区块链的各类属性。

实验设置
所提出的最优动态分片方案通过在基于以太坊架构的MATLAB环境中进行数值模拟来评估。该方案的性能从效率、资源利用率、每秒处理交易数等方面进行了验证。REWO算法设置了10个种群和最多50次迭代次数，算法的染色体长度根据分片数量确定。同时，还通过与其他现有算法的对比分析了REWO的性能。

结论
本研究在以太坊区块链中实现了最优动态分片方案，以提升其可扩展性。首先对区块链及交易属性进行了初始化，然后通过REWO算法实施了最优动态分片操作。该方案通过重点考虑分片间的信任差异，进行优化节点分配，其核心思想是为不同分片分配具有不同信任级别的节点。

Shamili Prabakaran | Muruganantham Balakrishnan
印度泰米尔纳德邦Kattankulathur - 603203，工程与技术学院计算机学院，SRM科学技术学院