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Benzene：基于协作分片的区块链扩展方案

作者及机构

本研究由来自中山大学的Zhongteng Cai、Junyuan Liang、Wuhui Chen（通讯作者），香港理工大学的Zicong Hong，香港浸会大学的Hong-Ning Dai，普渡大学的Jianting Zhang，以及中山大学的Zibin Zheng（IEEE Fellow）合作完成。论文发表于IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems（2023年2月，第34卷第2期）。

学术背景

研究领域与动机

区块链技术因其去中心化、透明性和不可篡改性被广泛应用于金融、供应链等领域，但其性能瓶颈（如比特币的7 TPS吞吐量和10分钟确认延迟）限制了大规模应用。分片（Sharding）是提升区块链性能的主流方案，但现有分片系统（如OmniLedger、Monoxide）采用非协作式设计，导致两个关键问题：
1. 容错能力下降：单个分片的算力分离使攻击者更容易发起“1%攻击”（即集中算力攻击单个分片）。
2. 性能优化受限：分片间缺乏协作导致确认延迟增加和存储开销上升。

为此，作者提出Benzene——一种基于协作分片的区块链系统，通过分片间协作提升容错能力（固定为1/3）和性能（线性扩展吞吐量）。

研究目标

1. 设计支持分片协作的架构，保留分片并行性；
   
2. 降低跨分块验证的开销；
   
3. 设计协作式共识协议，确保分片安全性。
   

研究流程与方法

1. 双链架构设计（Double-Chain Architecture）

Benzene的核心创新是将区块链功能解耦为两条链：
- 提议链（Proposer Chain）：各分片独立记录交易；
- 投票链（Vote Chain）：所有分片协作执行共识，通过投票确认提议链的区块。
优势：分离交易记录与共识执行，既保留分片并行性，又实现跨分片协作。

2. 基于TEE的跨分片验证（TEE-Assisted Verification）

• 挑战：传统跨分片验证需存储全部分片数据，存储开销大。
  
• 解决方案：利用可信执行环境（TEE，如Intel SGX）生成轻量级验证证明（Validation Proof），节点仅需验证证明而非完整区块。
  
• 安全性设计：
  
  • TEE通过远程认证（Remote Attestation）确保代码完整性；
    
  • 验证证明包含最新区块哈希，防止回滚攻击（Rollback Attack）。
    

3. 协作式共识协议（Cooperation-Based Consensus）

协议分为三阶段：
1. 交易记录阶段：分片内矿工生成提议区块，TEE验证后广播区块头及证明；
2. 投票生成阶段：所有分片矿工验证证明，并生成投票区块（包含对全部分片提议区块的投票）；
3. 区块确认阶段：统计投票数，得票最多的提议区块被确认。
创新点：
- 投票链并行生成，降低确认延迟（如50个分片时仅需13个区块确认，优于比特币的15个）；
- 容错能力固定为1/3，与分片数量无关。

4. 跨分片交易处理

采用两阶段原子性（Two-Phase Atomicity）：
1. 交易在源分片确认后，发送至目标分片；
2. 目标分片打包交易并二次确认。若源分片发生分叉，则目标分片回滚以保持原子性。

主要结果

性能与安全性

1. 吞吐量：50个分片时达32,370 TPS，且随分片数量线性增长（200分片时提升40倍）；
   
2. 延迟：50个分片时确认延迟低于比特币（13 vs. 15区块）；
   
3. 容错能力：固定为1/3，优于非协作分片的1/(s+1)（s为分片数）；
   
4. 存储开销：投票链仅需10 KB/区块（提议链为1 MB），跨分片验证带宽消耗降低87%。
   

实验验证

• 原型实验：实现4-20分片的Benzene系统，验证线性扩展性（20分片时11,810 TPS）；
  
• 大规模仿真：模拟200分片场景，吞吐量达40,000 TPS，攻击成功率低于0.05（恶意算力≤26%）。
  

结论与价值

科学价值

1. 理论贡献：提出首个协作式分片协议，证明分片间协作可同时提升性能与安全性；
   
2. 方法论创新：双链架构与TEE验证为区块链扩展提供新范式。
   

应用价值

• 金融领域：支持高吞吐支付网络（如Visa级交易处理）；
  
• 物联网：低延迟共识适合实时数据上链；
  
• 跨链互操作：协作机制为跨链通信提供基础。
  

研究亮点

1. 协作分片设计：首次实现分片间算力共享，突破非协作分片的容错限制；
   
2. 轻量级验证：TEE降低跨分片开销，兼顾安全性与可扩展性；
   
3. 性能突破：吞吐量较现有方案提升3-10倍，且延迟更低。
   

其他创新

• 分片动态调整：节点可随机加入分片，避免中心化分片分配；
  
• 抗攻击能力：TEE监督机制防止恶意验证，确保分布式账本一致性。
  

（全文约2000字）