Lumi：基于链上协调的轻量级区块链Layer 2协议研究报告

作者及机构
本研究的核心作者包括Xin Wang（清华大学密码学与数字经济安全国家重点实验室）、Shuhe Cao（山东大学）、Keting Jia（清华大学/中关村实验室）、Qidi You（空间信息系统与集成应用国家重点实验室）以及Sisi Duan（清华大学/山东区块链研究院）。该研究发表于2025年IEEE第45届国际分布式计算系统会议（ICDCS），论文标题为《Lumi: Lightweight Blockchain Layer 2 Protocol from On-Chain Coordination》。

学术背景

区块链技术因其高可用性和数据完整性而备受关注，但其可扩展性（scalability）一直是核心挑战。随着节点数量增加，系统性能（吞吐量throughput和延迟latency）显著下降。Layer 2协议是目前最具潜力的解决方案之一，其核心思想是将部分任务（如交易排序和执行）从主链（Layer 1）转移到链下，以减轻主链负载。现有的Layer 2方案主要分为三类：支付通道（payment channels）、侧链（sidechains）和Rollups，但各自存在局限性——支付通道仅支持简单支付，Rollups依赖零知识证明（zero-knowledge proofs）导致计算成本高，而侧链需运行完整的区块链协议，资源消耗大。

Lumi的研究目标是设计一种轻量级且高效的Layer 2协议，通过委员会（committee-based）并行处理交易，同时实现低延迟和高吞吐量，并能在低端机器上部署。

研究流程与方法

1. 技术架构设计

Lumi的核心创新包括三个模块：
- 轻量级主备复制协议（Primary-Backup Replication）：每个链下委员会（off-chain committee）采用主节点（primary）和备份节点（backup）的架构。主节点负责提议交易顺序，备份节点验证并签名。该协议仅在主节点正确时保证安全性和活性（liveness），从而降低通信复杂度。
- 链上租约管理（On-Chain Lease Management）：利用主链管理委员会主节点的任期。主节点每生成α个区块后需续约，若超时或行为异常，主链通过智能合约更换主节点。这一设计将视图切换（view change）的复杂性转移到Layer 1，简化了Layer 2协议。
- 单阶段跨委员会交易协议（One-Phase Cross-Committee Protocol）：传统跨分片交易需两阶段提交（2PC），而Lumi通过主链的向量时钟（vector clock）协调，仅需一阶段即可完成跨委员会交易排序，显著提升效率。

2. 实验验证

研究团队使用Go语言实现Lumi，并在Amazon EC2上部署72个虚拟机（VM）进行测试，对比对象为FastPay（现有委员会型Layer 2协议）。实验参数包括：
- 委员会数量（z）：3至12个
- 委员会规模（m）：4至16个节点
- 主链节点数（n）：12至72个

测试指标涵盖吞吐量（峰值达192.19 ktx/秒）和延迟（最低503毫秒/交易）。结果显示：
- 委员会级协议：在单委员会场景下，Lumi的吞吐量是HotStuff（主流BFT协议）的1.87倍至4.86倍。
- 跨委员会协议：主链成为瓶颈，但通过向量时钟优化，延迟仍低于FastPay。
- 低端环境适配性：即使在2 vCPU/8GB内存的VM上，Lumi仍能保持49.3 ktx/秒的吞吐量。

主要结果与贡献

1. 性能优势：Lumi在吞吐量和延迟上均优于FastPay，尤其在高并发交易场景下表现突出。例如，当z=12时，其峰值吞吐量达FastPay的50倍。
   
2. 轻量化设计：通过将视图切换和跨委员会协调任务转移至主链，Layer 2节点的计算负载大幅降低，适合资源受限环境。
   
3. 理论创新：
   
   • 提出基于主链的租约管理机制，简化了委员会级BFT协议的复杂性。
     
   • 单阶段跨委员会协议通过向量时钟实现全局排序，避免了传统2PC的锁竞争问题。
     

结论与价值

Lumi为区块链Layer 2协议提供了一种兼顾性能与轻量化的新思路，其科学价值体现在：
1. 方法论创新：首次将主链作为协调层，平衡了链上与链下负载，为分片（sharding）和侧链设计提供了新范式。
2. 应用潜力：适用于支付系统、去中心化交易所等高吞吐场景，且对硬件要求低，利于大规模部署。
3. 跨领域启示：其租约管理和单阶段提交机制可迁移至其他分布式系统，如云计算容错协议。

研究亮点

1. 双目标优化：同时实现低延迟与高吞吐量，突破现有委员会型协议的性能局限。
   
2. 链上-链下协同：通过主链管理关键状态（如主节点任期），减少Layer 2的协议复杂度。
   
3. 实验验证全面性：覆盖不同网络规模、硬件配置和交易类型（如跨委员会交易占比30%的场景）。
   

该研究的开源代码（10,000行Go语言）和实验数据已公开，为后续Layer 2研究提供了可复现的基准。