SP-Chain: Boosting Intra-Shard and Cross-Shard Security and Performance in Blockchain Sharding
针对现有区块链分片协议安全不足或性能牺牲大的问题，提出SP-Chain分片系统，通过两阶段并发投票、无偏领导者轮换和证明辅助跨分片机制提升双维度安全与性能，4000节点恶意环境下达万级TPS和7.6秒确认延迟。
2025-07-30 cs.DC
Challenges and pitfalls of partitioning blockchains
区块链近年来备受关注。这种巨大的普及引起了许多担忧，区块链系统的可扩展性是一个常见的问题。在本文中，我们试图了解以太坊，一个完善的区块链系统，将如何应对分片。分片是一种提高分布式系统可扩展性的流行技术。为了理解分片将如何影响以太坊，我们将以太坊区块链建模为图，并评估了五种划分图的方法。我们使用三个指标来分析结果：分片之间的平衡，涉及多个分片的事务数量，以及在系统重新分区时跨分片重新定位的数据量。
2018-05-09 cs.DC
A $p/2$ Adversary Power Resistant Blockchain Sharding Approach
Blockchain Sharding是一种区块链性能增强方法。通过将区块链拆分为多个并行运行的委员会（分片），它有助于提高交易吞吐量，减少所需的计算资源，并提高参与者的奖励期望。最近，已经提出了几种可以容忍高达$n/2$拜占庭节点（$n/2$安全级别）的灵活分片方法。然而，这些方法具有三个主要缺点。首先，在非分片区块链中，节点可以具有不同的权重（权力或股权）来创建共识，因此对手需要控制总权重的一半才能操纵系统（$p/2$安全级别）。在区块链分片中，所有节点都具有相同的权重。因此，只有在诚实的参与者创建尽可能多的节点的假设下，$n/2$安全级别区块链分片才能达到$p/2$安全级别。其次，当一些节点离开系统时，其他节点需要频繁地从一个分片到另一个分片重新分配，以保持安全级别。这对系统性能有不利影响。第三，虽然一些$n/2$方法可以保持与多达$n/2$拜占庭节点的数据完整性，但是它们的系统可以在较少数量的拜占庭节点时停止。本文提出了一种$p/2$安全级别的区块链分片方法，该方法不需要诚实的参与者创建多个节点，当一些节点离开系统时，需要较少的节点重新分配，并且可以防止系统停止。我们的实验表明，我们的新方法在安全性、交易吞吐量和灵活性方面优于现有的区块链分片方法。
2023-02-03 cs.CR cs.DC
A Range-Based Sharding (RBS) Protocol for Scalable Enterprise Blockchain
Department of Software Engineering, ÉTS Montréal, Universite de Quebec, Canada（蒙特利尔高等技术学院，魁北克大学，软件工程系）
本文提出RBS协议，通过范围基于分片机制提升企业区块链的可扩展性，减少跨分片延迟，提高吞吐量和效率。
2025-09-13 cs.CR cs.DC
A Flexible n/2 Adversary Node Resistant and Halting Recoverable Blockchain Sharding Protocol
区块链分片是解决区块链去中心化和高性能（交易吞吐量）之间困境的一种很有前途的方法。区块链分片系统的主要挑战是如何在一个子群体（分片）中对一个声明做出决定，同时确保整个人群都能识别这个声明。也就是说，挑战在于阻止一个没有全局大多数节点但在碎片内拥有大多数节点的对手。大多数区块链分片方法只能在$n$节点系统中的最多$n/3$邪恶节点的分片内达成正确的共识。有一种区块链分片方法可以防止对手在全球没有$n/2$节点时做出错误的决定。然而，如果对手控制的节点数量较少，系统可能会停止达成共识（陷入僵局）。在本文中，我们提出了一种改进的区块链分片方法，可以承受$n/2$敌对节点并从死锁中恢复。恢复是通过动态调整分片的数量和分片大小来完成的。性能分析表明，我们的方法具有较高的性能（事务吞吐量），同时需要很少的带宽同步。
2020-03-23 cs.CR cs.DC
ScaleSFL: A Sharding Solution for Blockchain-Based Federated Learning
基于区块链的联邦学习在过去几年中获得了极大的兴趣，随着对数据隐私的日益关注，机器学习的进步和区块链创新。然而，安全性和可扩展性方面的差距阻碍了实际应用程序的开发。在这项研究中，我们提出了ScaleSFL，这是一个可扩展的基于区块链的分片解决方案，用于联邦学习。ScaleSFL通过分离链下联邦学习组件来支持互操作性，以便验证模型更新，而不是控制整个联邦学习流程。我们使用Hyperledger Fabric将ScaleSFL实现为概念验证原型系统，以证明该解决方案的可行性。我们提出了一个性能评估的结果收集，通过Hyperledger卡尺基准工具进行模型创建。我们的评估结果表明，分片可以线性提高验证性能，同时保持高效和安全。
2022-04-04 cs.CR cs.DC
HiCoCS: High Concurrency Cross-Sharding on Permissioned Blockchains
HiCoCS通过复合键和虚拟子经纪人机制实现许可链上高并发跨分片交易的无冲突处理，并结合批处理、复合键复用与同态加密，将跨分片吞吐量提升3.5至20.2倍。
2025-04-08 cs.DC
SpiralShard: Highly Concurrent and Secure Blockchain Sharding via Linked Cross-shard Endorsement
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；Institute of High Performance Computing, A*STAR（新加坡科技研究局高性能计算研究所）；School of Computing and Information Technology, Great Bay University（大湾区大学计算机与信息技术学院）；Research Institute of Trustworthy Autonomous Systems, Southern University of Science and Technology（南方科技大学可信自主系统研究院）；Peng Cheng Laboratory（鹏城实验室）
SpiralShard通过链接跨链背书协议，在保证安全性的前提下，通过配置更多更小的分片提高区块链分片的并发性与吞吐量。
2025-12-20 cs.CR cs.DC
A Scale-out Blockchain for Value Transfer with Spontaneous Sharding
比特币及其许多后继者都要求所有节点都能可靠地获取整个交易记录，以防止双重支出。最近，许多区块链被提出来通过让节点只获取整个交易集的一小部分来实现横向扩展吞吐量。然而，这些方案，例如，分片和链外技术遭受分散或容错能力的退化。在本文中，我们表明，完整的交易集是不是一个必要的，以防止双重支出，如果价值转移的属性是充分探讨。换句话说，我们证明了像比特币这样的价值转移分类账有可能在不牺牲安全性或去中心化的情况下进行扩展。首先，我们给出了价值转移分类账的形式化定义及其与一般数据库的区别。然后，我们引入了一个基于链下的方案，其中共享主链用于共识，每个节点有一个单独的链用于记录交易。提出了一个本地可执行的验证方案，具有不妥协的有效性和一致性。我们的设计的一个有益的结果是，节点将自发地尝试通过只提供所需的交易来降低其传输成本，以表明其交易是双重支出证明。因此，网络被分片，因为每个节点只获取部分事务记录，并且可以实现横向扩展的吞吐量，我们称之为“自发分片”。
2018-05-17 cs.DC
An n/2 Byzantine node tolerate Blockchain Sharding approach
传统的区块链分片方法只能容忍多达n/3个节点成为对手，因为它们依赖于超几何分布来使失败（对手在全局上没有n/3个节点，但可以操纵分片的共识）难以发生。系统必须保持较大的Shard大小（Shard中的节点数量）以维持较低的故障概率，以便仅存在少量Shard。在本文中，我们提出了一种新的区块链分片方法，可以承受多达n/2的节点是坏的。我们将节点分为不同的类，每个Shard都有来自不同类的固定数量的节点。我们证明了这种设计比传统模型（只有一个类）更安全，并且可以显着减少碎片大小。通过这种方式，可以存在更多的Shard，并且可以大大增加事务吞吐量。改进后的区块链分片方法有望成为去中心化自治组织和去中心化数据库的基础。
2020-03-25 cs.CR cs.DC
OptChain: Optimal Transactions Placement for Scalable Blockchain Sharding
区块链分片协议的一个主要挑战是超过95%的交易是跨分片的。这些跨分片的事务不仅降低了系统吞吐量，还使确认时间加倍，并耗尽了本已稀缺的网络带宽。跨分片交易是否即将成为分片方案？在本文中，我们提出了一种新的分片范例，称为OptChain，其中跨分片事务被最小化，从而使确认时间和吞吐量提高了近两倍。通过将事务视为在线图中的节点流，OptChain利用轻量级和动态事务放置方法将相关和即将相关的事务分组到相同的分片中。同时，OptChain在分片之间保持时间平衡，以保证高并行性。我们使用P2P库进行了全面的大规模模拟，证实了性能的显著提升，跨分片事务减少了10倍，确认时间减少了两倍多，吞吐量增加了50%。当与Omniledger分片协议相结合时，OptChain每秒可提供6000个事务，确认时间为10.5秒。
2021-10-18 cs.CR cs.DC
BlockEmulator: An Emulator Enabling to Test Blockchain Sharding Protocols
School of Software Engineering, Sun Yat-Sen University（中山大学软件学院）；Cyberspace Institute of Advanced Technology, Guangzhou University (Huangpu)（广州大学（黄埔）先进技术网络空间研究院）
针对缺乏区块链分片系统协议测试平台的问题，研发了轻量级仿真平台BlockEmulator，支持通过分层模块低代码实现新协议，经验证结果准确且可测多类指标，已在GitHub开源。
2026-09-17 cs.CR cs.DC
SharPer: Sharding Permissioned Blockchains Over Network Clusters
可扩展性是企业采用区块链系统的主要障碍之一。尽管最近对使用分片技术来增强区块链系统的可扩展性进行了深入的研究，但现有的解决方案并不能有效地解决跨分片交易。在本文中，我们介绍了SharPer，这是一个许可的区块链系统，它通过对节点进行聚类（分区）并将不同的数据分片分配给不同的集群来提高可扩展性，其中每个数据分片都在集群的节点上复制。SharPer支持分片内和跨分片事务，同时处理不同集群的分片内事务和不重叠集群的跨分片事务。在SharPer中，区块链分类账形成为有向非循环图，其中每个集群仅维护分类账的视图。SharPer还集成了一个扁平化协议，以在跨分片事务的顺序上建立集群之间的共识。实验结果显示SharPer在性能和可扩展性方面的效率，特别是在跨分片事务比例较低的工作负载中。
2020-02-16 cs.DB cs.DC
An Efficient and Robust Committee Structure for Sharding Blockchain
如今，分片被认为是将传统区块链协议从低可扩展性中拯救出来的一种有前途的方法。然而，这种技术也带来了一些潜在的风险和巨大的通信开销。设计不当可能会导致不同委员会之间的状态不一致。此外，不幸的是，由跨分片事务引起的通信开销降低了系统的性能。在本文中，我们首先总结了所有分片区块链设计者面临的五个基本问题。对于每一个问题，我们讨论其关键挑战，并提出我们建议的解决方案。为了打破绩效瓶颈，我们提出了一个声誉机制来选择领导者。在我们的设计中的信誉反映了每个节点的诚实的计算资源。此外，我们引入了一个裁判委员会和部分集在每个委员会，并设计了一个恢复过程中的情况下，领导者是恶意的。在这个设计下，我们证明了恶意的领导者不会伤害系统，并且会被驱逐。此外，我们进行了一系列的模拟来评估我们的设计。结果表明，根据信誉度选择领导者可以显著提高系统的性能。
2021-12-31 cs.CR cs.DC
A Generic Sharding Scheme for Blockchain Protocols
本文介绍了一个通过分片扩展区块链协议的形式化通用框架。该框架是模块化的，可以根据不同的需求或假设集进行调整。我们证明了通过遵循我们的方案（具有正确的模块）获得的分片协议与非分片协议具有相同的安全性和活性保证。证明是通用的，依赖于某些组件的明确定义的规范。这为通过遵循所提出的方案获得的分片协议的正确性的简单证明奠定了基础。该框架并没有留下作为一个模糊的规范，一些高层次的结构，明确的使用证明了它的碎片Algorand。作为这种具体构造的一部分，引入了将节点分配给分片的防篡改机制。该机制采用可验证的随机函数构造，能够安全地抵御强大的自适应攻击。
2019-09-03 cs.CR cs.DC
Stable Blockchain Sharding under Adversarial Transaction Generation
针对对抗性交易生成下的区块链分片稳定性问题，提出均匀与非均匀系统的分布式调度算法，给出注入速率上界并首次进行对抗性稳定性分析。
2024-04-19 cs.DC
A Two-Layer Blockchain Sharding Protocol Leveraging Safety and Liveness for Enhanced Performance
针对现有区块链分片协议抗攻击不足、吞吐量受限的问题，提出含控制与处理分片的双层两阶段协议Reticulum，通过分层投票提升吞吐量与抗攻击性，实验验证其优于现有方案。
2024-07-12 cs.CR cs.DC
On the Efficiency of Dynamic Transaction Scheduling in Blockchain Sharding
研究区块链分片中交易在线到达的动态调度问题，基于局部敏感分解提出无状态和有状态模型下的高效调度算法，并证明其竞争比接近理论最优下界。
2025-08-13 cs.DC
Fast Transaction Scheduling in Blockchain Sharding
本文针对区块链分片的交易调度问题，提出集中式、分桶式集中式及基于层次聚类的分布式三种调度器，证明了其近似/竞争比，仿真显示其延迟最高降3倍、吞吐量最高升2倍，是首个可证明快速的区块链分片交易调度算法。
2025-01-16 cs.DC
Cob: a consensus layer enabling sustainable sharding-based consensus protocols
在本文中，我们探讨了上下文的应用程序的Cob，最近推出的拜占庭容错共识协议。Cob被证明是一个无领导的共识协议，它对要观察和记录的事件列表的每个组件并行执行共识过程。我们展示了如何使用Cob来定义可扩展和可持续区块链的共识层。这一层用于设计共识协议，该协议基于分片作为实现可扩展性的手段，并基于时隙中的时间碎片（分配给被指示创建新块的节点）作为减少维护分布式账本所需的计算量和通信量的手段。我们解释了为什么Cob是一个可行的候选人，通过引入一个辅助区块链，我们命名为同步链来实现这样的共识层。
2022-05-12 cs.DC
Divide and Scale: Formalization and Roadmap to Robust Sharding
针对区块链分片缺乏形式化基础的问题，提出首个鲁棒分片形式化框架与路线图，定义了一致性与可扩展性属性，明确了系统在自适应对手下的扩展极限，并据此分析了主流分片区块链的不足。
2023-05-22 cs.DC
StableShard: Stable and Scalable Blockchain Sharding with High Concurrency via Collaborative Committees
Great Bay University（大湾区大学）；Institute of High Performance Computing, A*STAR（A*STAR高性能计算研究所）；Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；Peng Cheng Laboratory（鹏城实验室）
StableShard通过协作委员会实现稳定且可扩展的区块链分片，提高并发性并确保安全性和活性。
2025-12-20 cs.DC
RecAGT: Shard Testable Codes with Adaptive Group Testing for Malicious Nodes Identification in Sharding Permissioned Blockchain
针对分片许可链的节点脆弱性问题，提出融合分片可测码、身份证明协议与自适应群测试的RecAGT方案，可低开销高效识别恶意节点且适配各类分片许可链。
2023-12-12 cs.CR cs.DC
Service-Oriented Sharding with Aspen
基于区块链的加密货币的兴起导致了使用分布式账本作为底层基础设施的服务的爆炸式增长。然而，由于固有的面向单一服务的区块链协议，这些服务可能会膨胀现有的分类账，无法提供足够的安全性，或者完全放弃无信任可验证性的属性。安全问题、信任限制和用户资源需求的可扩展性限制阻碍了区块链上松耦合服务的可持续发展。本文介绍了Aspen，这是一种分片区块链协议，旨在随着服务数量的增加而安全地扩展。Aspen与比特币在点对点网络中共享相同的信任模型，该网络容易出现包含拜占庭参与者的极端动荡。它允许引入新服务，而不会损害安全性，利用信任假设或向用户发送大量不相关的消息。
2016-11-21 cs.CR cs.DC
PolyShard: Coded Sharding Achieves Linearly Scaling Efficiency and Security Simultaneously
今天的区块链设计面临着一个三难困境，即没有一个区块链系统可以同时实现去中心化、安全性和性能可扩展性。对于当前的区块链系统，随着更多的节点加入网络，系统的效率（计算、通信和存储）最多保持不变。使区块链能够扩展效率的一个主要想法是分片的概念：不同的节点子集处理区块链的不同部分，从而减少每个节点的负载。然而，现有的分片提议通过损害信任来实现效率扩展-破坏给定分片中的节点将导致数据的相应部分的永久丢失。在本文中，我们通过展示一种用于区块链中编码存储和计算的新协议来解决三元悖论。特别是，我们提出了PolyShard：“多项式编码分片”方案，该方案实现了存储效率，系统吞吐量以及信任度的信息理论上限，从而实现了真正可扩展的系统。我们提供的模拟结果，数值上证明了性能的提高超过最先进的，和PolyShard系统的可扩展性。最后，我们讨论了潜在的增强功能，并强调在建立这样一个系统的实际考虑。
2020-01-24 cs.CR cs.DC cs.IT
A Hierarchical Sharded Blockchain Balancing Performance and Availability
Pohang University of Science and Technology（浦项科技大学）
PyloChain是一种分层分片区块链，通过平衡性能与可用性，实现更高的吞吐量和更低的延迟。
2026-03-06 cs.DC
Transaction Placement in Sharded Blockchains
虽然许多研究人员采用分片的方法来设计可伸缩的区块链，但很少有人研究分片协议引起的事务放置问题。广泛使用的哈希放置算法将绝大多数交易呈现为跨分片。在本文中，我们分析了跨分片交易的高成本，并揭示了大多数比特币交易具有简单的依赖关系，并且在考虑交易依赖关系的放置算法下可以成为单分片。此外，我们还对目前最先进的分片区块链事务放置算法OptChain进行了案例研究，发现了其存在的不足，并提出了一个简单的修正方案，评估结果表明，该修正方案有效地帮助OptChain克服了该缺陷，并在特定负载下显著提高了系统性能。OptChain的作者在注意到我们的工作后对算法描述进行了一些修改。他们的更新算法并没有表现出的缺点下，本文所采用的工作负载。
2022-06-09 cs.DC
Investigating Sharding Advancements, Methodologies, and Adoption Potential in Hedera
针对区块链可扩展性挑战，本文研究分片技术在Hedera中的应用，分析现有分片技术的优劣后提出混合分片方案，通过本地与全局委员会划分及动态重配置提升跨分片交易效率与安全性，验证了其可行性与优势。
2025-09-23 cs.DC
AI-driven Predictive Shard Allocation for Scalable Next Generation Blockchains
本文提出PSAP协议，通过预测性分片分配提升区块链可扩展性，实验显示吞吐量提升2倍，延迟降低35%
2025-11-18 cs.DC
Blockchain Cohomology
我们遵循现有的分布式系统框架，采用代数拓扑的方法来正式定义区块链技术的原语。我们定义了区块链协议之间和内部的跨链流动性，分片和概率空间的概念。我们将最近的进展，在合成同源性表明，这种拓扑框架可以在一个类型系统内实现。我们使用递归方案来定义内核承认光滑流形跨协议复合体，导致正式定义的庞加莱协议。
2018-05-18 cs.DC
Towards Scaling Blockchain Systems via Sharding
现有的区块链系统由于其分布式共识协议而扩展性很差。目前提高区块链可扩展性的尝试仅限于加密货币。在一般工作负载下扩展区块链系统（即，非加密货币应用）仍然是一个悬而未决的问题。在这项工作中，我们采取了一种原则性的方法来将分片应用于区块链系统，分片是一种经过充分研究和验证的扩展数据库的技术，以提高其大规模的交易吞吐量。然而，由于数据库和区块链之间故障模型的根本差异，这是具有挑战性的。为了实现我们的目标，我们首先提高拜占庭共识协议的性能，通过这样做，我们提高了单个分片的吞吐量。接下来，我们设计了一个高效的分片形成协议，利用可信的随机信标安全地将节点分配到分片中。我们依靠可靠的硬件，即英特尔SGX，实现共识和分片形成协议的高性能。第三，我们设计了一个通用的分布式事务协议，即使在事务协调器是恶意的，也能确保安全性和活性。最后，我们在本地集群和Google Cloud Platform上对我们的设计进行了广泛的评估。结果表明，我们的共识和分片形成协议在规模上优于最先进的解决方案。更重要的是，我们的分片区块链达到了高吞吐量，可以处理Visa级别的工作负载，并且是现实环境中有史以来最大的。
2019-03-12 cs.CR cs.DB cs.DC
Sedna: Sharding transactions in multiple concurrent proposer blockchains
Sei Labs；University of Portsmouth（朴茨茅斯大学）；Mysten Labs；University College London（伦敦大学学院）
Sedna通过可验证无率编码解决多提案区块链中交易分发的三重困境，提升效率并减少MEV暴露。
2025-12-29 cs.CR cs.DC
Near-Optimal Stability for Distributed Transaction Processing in Blockchain Sharding
针对区块链分片的分布式事务稳定性问题，提出单领导者与多领导者两种调度器，其稳定注入速率界与最优值仅差多对数因子，显著优于此前分布式场景的最优结果。
2025-09-02 cs.DC
DRDST: Low-latency DAG Consensus through Robust Dynamic Sharding and Tree-broadcasting for IoV
针对车联网高动态环境下跨分片交易与低延迟共识难题，本文提出 DRDST，通过 GSA 鲁棒动态分片、树状广播优化和改进 hashgraph 的 DAG 共识提升性能。
2024-12-06 cs.DC cs.NI
Advancing Blockchain Scalability: A Linear Optimization Framework for Diversified Node Allocation in Shards
针对区块链分片的安全节点分配难题，本文提出评估所有权、硬件与地理分布并满足去中心化目标的线性优化框架，以最小化资源消耗，且已在 ICP 社区应用。
2024-05-08 cs.DC
Reinshard: An optimally sharded dual-blockchain for concurrency resolution
分散控制、低复杂性、灵活和高效的通信是旨在超越当前状态扩展区块链的架构的要求。这些属性可以通过减少账本大小和在区块链中提供并行操作来实现。分片是降低节点负担和提高性能的方法之一。然而，目前的解决方案缺乏在跨分片通信期间解决并发的功能。由于多个参与者属于不同的分片，处理并发操作对于优化分片至关重要。由于缺乏架构支持，这个问题变得突出，需要对跨分片通信达成额外的共识。受混合工作量证明/权益证明（PoW/PoS）的启发，如以太坊，混合共识和2跳区块链，我们提出了Reinshard，一种新的区块链，继承了混合共识的属性，以实现最佳分片。Reinshard使用PoW和PoS链对与PoS子链用于所有有效的链对，其中通过可验证延迟函数（VDF）实现混合共识。我们的架构提供了一个安全的方法来安排节点的碎片，并解决并发冲突使用VDF的延迟因素。Reinshard的适用性证明通过安全性和实验评估。一个实际的并发问题被认为是显示Reinshard在提供最佳分片的功效。
2021-09-15 cs.CR cs.DC cs.NI
A position paper on GDPR compliance in sharded blockchains: rehash of old ideas or new interesting challenges?
分片已经成为解决区块链系统可扩展性问题的常用技术之一。为此，在文献中已经提出了用于区块链系统的各种分片技术。当分片区块链处理个人数据时，与分片区块链相关的数据控制者和数据处理者需要遵守通用数据保护条例（GDPR）。为此，本文首次尝试解决以下关键问题：由诸如分布式计算团体，分布式系统团体，数据库团体，身份和访问控制社区以及可靠性社区可以由数据控制者和数据处理者用于遵守GDPR对数据主体权利的要求，分片区块链？作为回答这个问题的一部分，本文认为有必要进行跨学科研究，以找到在分片区块链中实现数据主体权利的最佳解决方案。
2020-11-02 cs.CR cs.DC
Implicit Consensus: Blockchain with Unbounded Throughput
最近，区块链技术成为人们关注的焦点，因为它引入了一种系统化的方法，让多方在不需要信任的情况下达成共识。然而，这种技术在实践中的应用受到严重限制，由于其在吞吐量的限制。在本文中，我们提出了一种新的共识模型，即隐式共识，它具有一个独特的基于区块链的分布式账本，其中每个节点都拥有自己的区块链。在我们的系统中，共识不是在交易上，而是在一种特殊类型的块上，称为检查点，用于验证单个交易。我们的系统利用自我利益和自发分片的思想，并实现无限的吞吐量与交易的可靠性，相当于传统的拜占庭容错计划。
2017-07-14 cs.DC
Low Latency Cross-Shard Transactions in Coded Blockchain
尽管区块链作为比特币和各种加密货币的支持技术，为许多应用提供了一个潜在的有效框架，但它仍然受到不可能三角形的不利影响。区块链的性能、安全性和去中心化通常不会与网络中的参与者数量同步扩展。Li等人最近在分片区块链中引入了纠错码，部分解决了这一难题，在不影响安全性和去中心化的情况下提高了吞吐量。在本文中，我们从三个方面改进了编码分片方案。首先，我们提出了一种新的二维分片策略，它本质上支持跨分片事务，减轻了对复杂的分片间通信协议的需求。其次，我们采用分布式存储技术在块的传播，改善有限带宽下的延迟。最后，我们结合了低次多项式密码原语，这将编码区块链技术带入了可行的现实世界参数领域。
2020-10-30 cs.CR cs.DC cs.IT
MITOSIS: Practically Scaling Permissioned Blockchains
可扩展性仍然是采用许可区块链技术进行大规模部署的最大挑战之一。与非许可部署相比，许可区块链通常表现出较低的可扩展性-但代价是可扩展性差。提出了各种解决方案来捕获“两全其美”，同时针对低延迟和高可扩展性，最突出的技术是区块链分片。然而，大多数现有的分片方案都利用了无权限模型的特性，因此仅限于加密货币应用。我们提出了MITOSIS，这是一种实际上提高许可区块链可扩展性的新方法。我们的系统允许动态创建区块链，因为更多的参与者加入系统，以满足实际的可扩展性要求。至关重要的是，它能够将现有的区块链（及其参与者）分成两部分-让人想起有丝分裂，细胞分裂的生物过程。MITOSIS继承了许可区块链的低延迟，同时通过并行处理保持高吞吐量。我们系统中新创建的链是完全自主的，可以选择自己的共识协议，但它们可以相互交互以共享信息和资产-满足高水平的互操作性。我们分析了MITOSIS的安全性，并通过实验评估了我们的解决方案在Hyperledger Fabric上实例化时的性能。我们的研究结果表明，MITOSIS可以移植到现有的许可区块链（如Hyperledger Fabric）中，只需很少的修改和可管理的开销。
2021-09-21 cs.CR cs.DC
Breaking Blockchain's Communication Barrier with Coded Computation
尽管区块链是各种加密货币的支持技术，为许多分散的信任管理系统提供了一个潜在的有效框架，但其性能在现实世界的网络中仍然是次优的。由于带宽有限，节点处理区块的通信复杂性随着网络规模的增长而扩展，因此成为区块链性能的限制因素。在本文中，我们建议重新设计现有的区块链系统，以解决通信负担的问题。首先，通过采用编码计算的技术，我们的方案保证了正确的交易验证，同时大大降低了位的复杂性，使其随节点数的增加而成倍增长。其次，通过采用信息分散和状态机复制技术，系统对拜占庭故障具有弹性，并实现了线性消息复杂度。第三，我们提出了一种新的2维分片策略，该策略本质上支持跨分片事务，减轻了分片之间对复杂通信协议的需求，同时保持了分片的计算和存储优势。
2022-04-03 cs.CR cs.DC cs.IT
Dynamically Sharded Ledgers on a Distributed Hash Table
本文提出ScaleGraph，一种利用分布式哈希表路由和邻近概念实现动态分片的账本，以提升可扩展性并支持机器经济中的微交易，分析表明其存储复杂度为O(t/n)，且在腐败节点少时性能优越。
2024-05-23 cs.DC
ALDER: Unlocking blockchain performance by multiplexing consensus protocols
今天的大多数在线服务（例如，社交网络、搜索引擎、市场）是集中的，这由于各种原因（例如，中央管理、审查制度、失去对个人数据的控制）。区块链技术通过在线服务的去中心化承诺了一场新的Web革命（Web 3.0）。然而，这场革命在全球范围内发生的关键限制之一是当今区块链的表现不佳。我们在本文中提出了ALDER，这是一种通过复用共识协议来解锁现成的基于领导者的区块链性能的解决方案。我们的解决方案利用多个潜在领导者的存在来缓解存在于不同级别的共识协议中的瓶颈。为了说明它给区块链性能带来的好处，我们将ALDER应用于三个代表性的区块链，即Algorand（权益证明），RapidChain（基于分片）和Bitcoin（工作证明）。我们的评估涉及部署在100台物理机器上的多达10，000个节点，表明使用ALDER可以在吞吐量和延迟减少方面提供高达300%的改进。
2022-02-07 cs.DC
StakeCube: Combining Sharding and Proof-of-Stake to build Fork-free Secure Permissionless Distributed Ledgers
我们的工作重点是在权益证明设置中设计一个可扩展的无许可区块链。特别是，我们使用分布式哈希表作为构建块来设置随机分片，然后利用分片架构以有效的方式验证块。我们结合了由利益相关者分片运行的可验证拜占庭协议和块验证协议，以保证分叉发生的概率可以忽略不计。我们施加诱导扰动，使分片对eclipse攻击具有鲁棒性，我们依靠UTXO硬币模型来保证任何利益相关者的行为都可以被任何人安全地验证。我们的协议适用于自适应对手，并没有超出拜占庭协议所需的同步假设。
2019-07-11 cs.CR cs.DC
Simulation-Based Performance Evaluation of Sharded Blockchain Architectures
College of Computing Illinois Institute of Technology（伊利诺伊理工学院计算学院）
提出基于SimPy的离散事件仿真器，评估分片区块链在可控负载和网络条件下的吞吐量、延迟等性能，发现并行执行可大幅提升吞吐量但受协调开销限制。
2026-06-15 cs.DC
Algorithm for Cross-shard Cross-EE Atomic User-level ETH Transfer in Ethereum
分片是解决区块链技术中可扩展性问题的一种方法。以太坊是一种著名的区块链技术，它将分片纳入了其路线图，以提高吞吐量。该计划还包括多个执行环境。我们解决了在多个执行环境中原子跨分片值传输的问题。我们利用所提出的以太坊架构，更具体地说是Beacon链和交叉链接，并在EE级原子以太坊传输的净平衡方法之上提出了一个解决方案。我们将跨分片转账分为两个交易：借记和贷记。首先，借记交易在源分片处处理。相应的信用交易在后续块中的目的地碎片处处理。我们使用{ \em neted}分片状态作为通道来传递挂起信用和挂起还原。我们讨论了借记失败和信用失败的各种情况下，并显示我们的方法，即使在拜占庭块提议者的存在，确保原子性。我们的方法的好处是，我们不使用任何锁，也不对Block Proposer施加任何约束来选择特定的事务。然而，我们继承了从所有其他分片查询部分状态的净平衡方法的昂贵操作的限制。我们还展示了这种分片间状态读取的大小的界限。
2021-05-17 cs.DC
T-RBFT: A Scalable and Efficient Byzantine Consensus Based on Trusted Execution Environment for Consortium Blockchain
Xi’an University of Technology（西安工业大学）；Shaanxi Key Laboratory for Network Computing and Security Technology（陕西省网络计算与安全技术重点实验室）
本文提出T-RBFT，一种基于网络分片和可信执行环境的两层共识机制，通过动态分组和TEE辅助BFT协议提升联盟链的性能和可扩展性。
2026-04-17 cs.DC
Free2Shard: Adaptive-adversary-resistant sharding via Dynamic Self Allocation
在大规模区块链部署增长的推动下，最近在设计分片协议方面取得了很大进展，这些协议实现了节点数量的吞吐量线性扩展。然而，现有的协议是不鲁棒的对手自适应腐败的固定比例的节点。在本文中，我们提出了Free 2Shard--一种新的架构，它可以实现近线性扩展，同时可以安全地对抗完全自适应的对手。该架构的重点是一个动态的自分配算法，该算法允许用户将自己分配到分片以响应对抗行为，而不需要中央或加密证明。这种架构具有分片协议中不常见的几个有吸引力的特性，包括：（a）处理大量分片（相对于节点数量）的能力;（b）异构分片需求;（c）只需要一小部分遵循自分配;（d）异步分片旋转;（e）在纯粹的无身份工作证明设置中操作。关键的技术贡献是一个深刻的数学联系的经典工作布莱克威尔在动态博弈论。
2020-05-19 cs.CR cs.DC cs.GT
TINC: Trusted Intelligent NetChain
本文提出专为联盟链设计的多平面分片架构TINC，通过自适应节点分配、动态负载均衡及控制与数据平面解耦提升系统效率，并集成DDIDs增强信任与安全，实验证明其在吞吐量、延迟和可靠性上显著优于现有分片框架。
2025-11-02 cs.DC cs.NI
SmartShards: Churn-Tolerant Continuously Available Distributed Ledger
本文提出 SmartShards 分片算法，通过让节点跨多分片重叠来简化通信与成员管理，从而增强区块链的拜占庭容错、抗更迭和持续可用性，并给出正确性证明、性能评估及安全扩展。
2025-03-14 cs.DC
PIRATE: A Blockchain-based Secure Framework of Distributed Machine Learning in 5G Networks
在第五代（5G）网络及以后，通信延迟和网络带宽将不再是移动用户的瓶颈。因此，几乎每个移动终端都可以参与分布式学习。也就是说，可以消除分布式学习的可用性问题。然而，模型的安全性将成为一个挑战。这是因为分布式学习系统在更新模型参数和聚合多个学习参与者之间的梯度的阶段期间容易遭受拜占庭攻击。因此，为了在5G时代为分布式学习提供拜占庭式的弹性，本文提出了一种基于区块链分片技术的安全计算框架，即PIRATE。一个案例研究表明如何建议海盗有助于分布式学习。最后，我们还设想了一些开放的问题和挑战的基础上提出拜占庭弹性学习框架。
2019-12-17 cs.CR cs.DC
Secure Regenerating Codes for Reducing Storage and Bootstrap Costs in Sharded Blockchains
区块链是一种应用广泛的分布式账本。由于区块链的存储需求不断增加，计算只能由少数矿工承担。已经提出了分片来扩展区块链，以便以安全保证为代价提高区块链的存储和交易效率。本文旨在考虑一种新的协议，安全修复区块链（SRB），旨在降低矿工的存储成本。此外，SRB还降低了自举成本，这使得新矿工可以轻松加入分片区块链。为了减少存储量，SRB采用了编码理论技术。为了减少传输到加入分片的新节点的数据量，使用了精确修复安全再生码的概念。所提出的区块链协议比不使用编码的协议实现了更低的存储，并且与不同的基线相比实现了更低的自举成本。
2020-11-11 cs.CR cs.DC cs.IT
Blockchain Scalability and Security: Communications Among Fast-Changing Committees Made Simple
对于非许可区块链，可扩展性至关重要。虽然当前的技术仍然不能完全解决这个问题，但是许多研究工作提出了分片或广泛采用事务的并行处理的其他技术。在这些方法中，潜在的大量节点委员会独立地执行共识并处理新的交易。因此，除了定期的委员会内部沟通外，（1）新交易必须交付给正确的委员会，（2）委员会需要沟通以处理分片间交易或（3）交换中间结果。为了与适应缓慢的对手形成对比，委员会应该经常更换。然而，与频繁更换的委员会进行有效沟通是困难的。我们提出了一种简单的方法，允许我们隐式地选择委员会成员，并有效地将信息传递给特定委员会的所有成员，即使委员会经常更换。我们设计的目的是提供一个委员会选择程序和一个以委员会为目标的通信原语，用于目前文献中提出的大多数可扩展区块链架构。我们提供了一个理论证明我们的方法的安全性和第一个实验结果表明，我们的方法在实践中可能是可行的。
2022-12-22 cs.CR cs.DC
How Does Blockchain Security Dictate Blockchain Implementation?
区块链协议具有各种安全保证。例如，受BFT启发的协议（如Algorand）在部分同步设置中往往是安全的，而像比特币这样的最长链协议通常需要更强的同步性才能安全。与分片等可扩展性解决方案直接相关的另一个基本区别是，单个不受信任的用户是否能够指向 * 证书 *，这提供了块确认的无可争议的证据。Algorand产生这样的证书，而比特币没有。这些属性是偶然的吗？或者它们是协议设计范式的固有后果？我们在本文中的目的是从根本上了解什么决定了非许可区块链协议的安全性。使用（Lewis-Pye和Roughgarden，2021）中开发的框架，我们证明了一般结果，表明这些问题与用户选择过程的属性直接相关，即，用于选择具有更新状态任务的用户的方法（例如工作量证明或权益证明）。例如，我们的研究结果足以证明，证书的产生对于工作量证明协议是不可能的，但是对于标准形式的权益证明协议是自动的。作为我们工作的副产品，我们还定义了一些安全概念，并确定它们之间的等价性和不等价性。
2021-11-05 cs.CR cs.DC
