Optimising Blockchain Scalability for Real-Time IoT Applications
School of Computing and Data Science, Xiamen University Malaysia（厦门大学马来西亚分校计算与数据科学学院）；School of Computing, Wrexham University（雷克瑟姆大学计算机学院）；Faculty of Computing, Engineering and Science, University of South Wales（南威尔士大学计算、工程与理科学院）；Faculty of Science and Information Technology, Daffodil International University（达福迪尔国际大学科学与信息技术学院）
本文综述了针对区块链赋能物联网的最新可扩展性解决方案，分析了层1增强、层2离线处理、基于分片的并行化、边缘和雾计算集成以及混合共识机制，探讨了性能、去中心化与安全性的权衡及实时服务质量影响。
2026-03-29 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
We might walk together, but I run faster: Network Fairness and Scalability in Blockchains
基于区块链的分布式账本（DLs）承诺通过使其真正民主来改变现有的金融体系。在过去的十年中，区块链技术已经出现了许多新的应用，从银行业到房地产。然而，为了被普遍采用，区块链系统必须是可扩展的，以支持大量交易。随着我们增加DL系统的吞吐量，底层对等网络可能面临多个级别的挑战以跟上需求。由于网络容量不同，与速度较快的节点相比，速度较慢的节点将处于相对劣势，这可能会对其收入产生负面影响。为了量化它们的相对优势或劣势，我们引入了两种网络公平性的度量，$p_f$，领先的概率和$α_f$，发布公平性。我们发现，随着区块链规模的扩大，这两个指标都会恶化，这意味着速度较慢的节点在较高的吞吐量下面临劣势。这导致速度更快的节点获得的奖励超过了他们应得的份额，而速度较慢的节点（网络质量较慢）获得的奖励更少。因此，区块链系统的公平性和可扩展性并不齐头并进。在理性矿工的环境中，缺乏公平性会导致矿工偏离“最长链规则”或削弱，这将降低区块链对拜占庭对手的弹性。因此，公平性不仅是区块链系统的理想属性，而且对于区块链的安全性至关重要，任何可扩展的区块链协议都必须确保公平性。
2021-02-19 cs.DC cs.NI
PiChu: Accelerating Block Broadcasting in Blockchain Networks with Pipelining and Chunking
近年来，区块链技术得到了迅速增强。然而，随着网络和事务数据量的增加，其可扩展性在吞吐量和广播延迟方面仍然存在限制。为了提高区块链网络的可扩展性，我们提出了一种名为PiChu的新方法，通过并行流水线和验证块的块来加速区块链网络中的块传播。加速块传播可以减少挖掘间隔和分叉发生的机会，从而提高吞吐量。我们的方法可以直接应用于区块链网络，也可以对共识进行小幅修改。通过广泛的大规模模拟，我们验证了所提出的PiChu方案显着提高了区块链网络的可扩展性。例如，一个64 MB的区块可以在拥有100万个节点的区块链网络中在80秒内广播。PiChu广播的效率随着块大小和网络中节点数量的增加而增加。
2021-01-20 cs.DC
Improving Blockchain Scalability with the Setchain Data-type
区块链技术正面临着可扩展性的挑战，必须克服这一挑战，以确保该技术得到更广泛的采用。这种可扩展性问题是由于使用共识算法来保证区块链和每个区块内交易的总顺序。然而，总订单通常不是完全必要的，因为智能合约的重要高级应用程序不需要所有操作的总订单。如果可以利用更宽松的顺序，则可以潜在地实现更高的可伸缩性。在本文中，我们提出了一种新的分布式并发数据类型，称为Setchain，它大大提高了可扩展性。与传统的区块链操作不同，Setchain实现了一个只增长的集合，其元素没有排序。在方便的时候，Setchain允许强制同步屏障，该同步屏障永久地为最新添加的元素的子集分配一个历元编号，并通过协商一致达成一致意见。因此，同一时期中的两个操作不排序，而不同时期中的两个操作按其各自的时期编号排序。我们提出了不同的拜占庭容忍Setchain的实现，证明其正确性和报告的原型实现的实证评估。我们的研究结果表明，Setchain比基于共识的分类账快了几个数量级，因为它实现了只增长集，而不是全序。由于Setchain屏障可以与底层区块链同步，因此Setchain对象可以用作侧链来实现许多分散的解决方案，其操作速度比直接在区块链上实现要快得多。最后，我们还提出了一个算法，包括在一个单一的过程中的拜占庭服务器，简化了正确性证明的编码一般攻击者在一个具体的实现的组合行为。
2023-02-09 cs.DC
State sharding model on the blockchain
区块链是由分布式节点而不是集中式组织维护的增量更新分类账。当前的区块链技术面临着可扩展性问题，这包括两个方面：低交易吞吐量和高存储容量成本。本文研究了基于状态分片技术的区块链结构，主要解决区块链存储的不可扩展性问题。本文设计并实现了区块链状态分片方案，提出了具体的状态分片数据结构和算法实现，实现了完整的区块链结构，使区块链具有高吞吐量、处理大量交易和节省存储成本的优势。实验结果表明，一个超过10万个节点的区块链网络可以划分为1024个分片。具有这种结构的区块链网络可以在大约5秒内处理50万笔交易。如果区块链的共识时间约为10秒，分片机制的区块链系统的区块生成时间为15秒，则交易吞吐量可达33,000 tx/sec。实验结果表明，该协议的吞吐量随着网络节点规模的增加而增加。这证实了基于分片技术的区块链结构的可扩展性。
2020-10-30 cs.CR cs.DC
Advanced DAG-Based Ranking (ADR) Protocol for Blockchain Scalability
针对区块链吞吐量低、可扩展性差的问题，提出基于DAG的高级排名（ADR）协议，通过节点验证、DAG账本构建和排名算法提升性能，在超100节点集群上验证优于IOTA和ByteBall，适用于物联网。
2025-08-06 cs.CR cs.DB cs.DC
Supermassive Blockchain
National University of Singapore（新加坡国立大学）
本文提出一种解耦状态执行的架构，设计出一种新型存储可扩展的BFT协议，实现传统BFT协议的确定性安全属性，通过擦除编码确保状态可用性，降低网络开销。
2026-03-25 cs.DC
Accelerating Blockchain Scalability: New Models for Parallel Transaction Execution in the EVM
本文针对 Ethereum 顺序处理导致的扩展瓶颈，提出由三种独立方法构成的新方案，通过策略性预定交易状态访问及引入基于 gas 的激励机制，实现 EVM 内最大程度的并行交易执行。
2025-04-02 cs.CE cs.DC cs.GT
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
SBvote: Scalable Self-Tallying Blockchain-Based Voting
去中心化电子投票解决方案代表了电子投票领域的一个有前途的进步。电子投票的范例之一，自计票方案，提供了强有力的保护选民的隐私，同时使整个投票过程的可验证。去中心化的智能合约平台成为不可变的公告板的有趣的实际实例，该方案需要保持其属性。现有的基于智能合约的方法采用自计算方案（如OVN或BBB投票），由于其可扩展性限制，仅适用于董事会投票场景。我们工作的目标是在现有解决方案的基础上实现可扩展性，而不会失去隐私保证和可验证性。我们提出了SBvote，这是一种基于区块链的自计票投票协议，选民数量可扩展，因此适合大规模选举。对我们的概念验证实现的评估表明，该协议的可扩展性仅受底层区块链平台的限制。我们在两个公共智能合约平台上评估了SBvote的可扩展性- Gnosis和Harmony。尽管受到区块链平台吞吐量的限制，SBvote可以容纳数百万选民的选举。
2022-06-13 cs.CR cs.DC
DeFi and NFTs Hinder Blockchain Scalability
众所周知，许多经典的区块链的交易吞吐量都非常低，低至比特币臭名昭著的每秒7笔交易的限制。在区块链研究的第一个十年中，出现了各种各样的提高吞吐量的建议和实现。但并发性有多大可能呢？在早期，区块链主要用于用户之间的简单传输。然而，最近，去中心化金融（DeFi）和NFT市场已经完全改变了区块链上正在发生的事情。两者都是使用智能合约构建的，并获得了极大的普及。DeFi和NFT市场上的交易通常与相同的智能合约交互。我们相信这一发展已经改变了区块链的使用。在我们的工作中，我们对以太坊的交易图进行了历史分析。我们研究历史上交易之间有多少互动，现在有多少。我们发现，DeFi和NFT市场的兴起导致了交易图中“中心化”的增加。更多的交易现在是相互关联的：目前每个区块大约有200个交易，它们之间有4000个相互依赖关系。我们进一步发现，以太坊当前互连交易工作负载的并行化能力是有限的。目前，超过五倍的加速是不现实的。
2023-03-07 cs.CR cs.DC
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
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
Scaling Blockchains Without Giving up Decentralization and Security
公共区块链应该能够在节点数量和交易工作负载方面进行扩展。区块链可扩展性三难困境已经被非正式地证实。这与可扩展性，安全性和分散性有关，指出这些方面的任何改进都应该对其他两个方面中的至少一个产生负面影响。事实上，尽管有大量的研究和实验努力，所有已知的方法都是权衡。我们从理论上描述了一种新的区块链架构，只要提供相应的节点比例增量，该架构就可以扩展到任意高的工作负载。我们表明，在合理的假设下，我们的方法不需要权衡安全性或分散。据我们所知，这是第一个反驳三难推理的结果，考虑到区块链的所有架构元素的可扩展性，而不仅仅是共识协议。虽然我们的结果目前只是理论上的，但我们相信，我们的方法可能会激发显着的实际贡献。
2020-06-04 cs.CR cs.DC cs.DS
The Difficulty in Scaling Blockchains: A Simple Explanation
区块链已经变得非常受欢迎，并在国家和国际研究和创新议程的名单上名列前茅。这在一定程度上是由许多有趣的应用程序引起的，再加上完全去中心化和高可扩展性的承诺（等等）。然而，实现这一承诺在技术上要求极高，需要大量的科学努力，迄今为止还没有取得压倒性的成功。在本文中，我们提供了一个外行人的描述，这可能是实现区块链的一个基本障碍，它结合了可扩展性，高事务处理能力，并且确实是完全分散的。
2021-03-02 cs.DC
A Formal Rebuttal of "The Blockchain Trilemma: A Formal Proof of the Inherent Trade-Offs Among Decentralization, Security, and Scalability"
Faculty of Business, University of Exeter（埃克塞特大学商学院）
该研究通过形式化分析、实证证据等方式反驳了区块链三难困境的论断，指出其存在语义含糊、理论误用等问题，重构Bitcoin模型证明可扩展性是工程结果，并提出区块链研究论断的评估标准。
2025-07-10 cs.AI cs.CR cs.DC
LogStamping: A blockchain-based log auditing approach for large-scale systems
本文提出LogStamping框架，结合区块链与IPFS混合存储及智能合约，实现大规模系统日志的防篡改、实时处理和可扩展审计。
2025-09-19 cs.CR cs.DC
Decentralizing Permissioned Blockchain with Delay Towers
人们对无许可区块链的兴趣越来越大，这揭示了其潜在的可扩展性问题。许可型区块链提供高交易吞吐量和低延迟，同时损害去中心化。在寻求一个分散的，可扩展的区块链结构，即，为了在无许可的环境中提供许可区块链的可扩展性，我们提出了L4 L，以鼓励在许可的Libra网络上进行去中心化，而不影响其可持续性。L4 L采用延迟塔，--利用可验证延迟功能的拼图塔--用于在无许可设置中建立身份。延迟塔由于其顺序执行而无法并行化，使其成为生态友好的替代品。我们还讨论了替换参与共识的验证器以促进合规行为的方法。我们的评估发现，在许可网络上实现去中心化的成本几乎可以忽略不计。此外，延迟塔为现有的无许可共识机制提供了一种替代方案，而无需空投或预售代币。
2022-03-18 cs.DC cs.MA
The Confluence of Blockchain and 6G Network: Scenarios Analysis and Performance Assessment
智能城市、医疗保健和虚拟现实等新兴高级应用对第六代（6G）移动网络提出了更具挑战性的要求，包括对改进的保密性、更高的完整性、不可否认性、身份验证和访问控制的需求。虽然区块链以其固有的特性被普遍认为是6G功能标准最具颠覆性的技术推动者之一，但对于区块链是否、何时以及如何在6G场景中使用还没有全面的研究。现有的研究缺乏在6G场景中使用区块链的性能评估方法。因此，我们从应用层中抽象出七种细粒度的6G可能性，并研究了这项工作中6G场景的原因，内容和时间问题。此外，我们还提供了一种评估基于区块链的6G场景的性能和可扩展性的方法。总之，我们进行了全面的实验，以评估Quorum区块链和6G场景的性能。实验结果表明，通过适当的设置，联盟区块链可以满足性能和可扩展性要求。
2022-07-11 cs.DC
Redefining Hybrid Blockchains: A Balanced Architecture
City University of Hong Kong（香港城市大学）
本文提出一种新颖的混合区块链架构，通过节点隔离、容器化、网络与计算层分离及Kafka发布-订阅网络等策略，平衡可扩展性、治理与去中心化，实现每秒超1000笔交易，为政企采用提供经济可行的稳健框架。
2026-10-20 cs.CR cs.DC
Pravuil: Global Consensus for a United World
Pravuil是一个健壮、安全和可扩展的共识协议，适用于在互联网等对抗性环境中部署的无权限区块链。Pravuil规避了其他区块链以前的缺点：-比特币的有限采用问题：随着交易需求的增长，支付确认时间比其他PoW区块链要短得多-以更低的成本获得更高的交易安全性-比其他无许可区块链更分散-完全分散的不可能性和区块链可扩展性三难困境：去中心化，可扩展性和安全性可以同时实现-Sybil抵抗免费实现社会最佳- Pravuil超越了比特币或其他PoW/PoS区块链的经济限制，导致更有价值和更稳定的加密货币
2021-05-21 cs.CR cs.DC econ.GN
BlockRaFT: A Distributed Framework for Fault-Tolerant and Scalable Blockchain Nodes
Indian Institute of Technology Hyderabad（印度理工学院海得拉巴分校）
BlockRaFT通过RAFT共识协议提升区块链节点的可扩展性和可靠性，采用状态化与非状态化操作分离策略，并引入并发Merkle树优化以提升性能。
2026-04-17 cs.DC
Setchain Algorithms for Blockchain Scalability
本文提出三种基于区块账本的Setchain算法，通过放宽交易全序要求提升区块链可扩展性，实现比底层区块链高数个数量级的吞吐量及低于4秒的最终性延迟。
2025-09-11 cs.DB cs.DC cs.DS
BlockSDN: Towards a High-Performance Blockchain via Software-Defined Cross Networking optimization
Shenzhen Graduate School Peking University（北京大学深圳研究生院）；The Fifth Electronic Research Institute of MIIT（工业和信息化部第五研究所）
BlockSDN通过软件定义交叉网络优化，显著提升区块链的可扩展性和性能。
2025-10-09 cs.DC cs.NI
A Scalable Blockchain-based Smart Contract Model for Decentralized Voltage Stability Using Sharding Technique
区块链技术是提高智能电网弹性的一种可能途径，可以分散对系统级目标（如电压稳定性保护）的监控。它们还提供了数据不变性和可追溯性的好处，因为区块链是加密保护的。然而，基于区块链的系统在实时电网监控和控制方面的性能从未经过实证测试。该研究提出使用基于区块链的智能合约实现分散式电压稳定算法，作为评估区块链实时控制性能的测试平台。此外，我们研究分片机制作为一种手段，提高系统的可扩展性与固定的计算资源。我们使用Hyperledger Fabric作为我们的区块链平台，MATLAB中的Matpower库作为我们的电力系统模拟器，Hyperledger Caliper作为我们的性能评估工具，将我们的模型实现为概念验证原型系统。我们发现分片确实导致了该领域系统可扩展性的实质性改善，通过事务成功率和事务延迟来衡量。
2022-06-28 cs.DC
Cyberphysical Blockchain-Enabled Peer-to-Peer Energy Trading
网络物理系统中集中式架构模型的可扩展性和安全性问题有很大的潜力可以通过基于区块链的分布式模型来解决，分散式能源交易系统利用各种来源并有效协调能源，以确保可用资源的最佳利用。它通过使用物联网（IoT）、云计算和网络系统等技术管理物理、社会和商业基础设施来实现这一目标。在网络物理系统的背景下，解决了区块链能源交易的重要性，本文全面概述了P2P能源交易和利用区块链来提高效率和整体性能，包括分散程度，可扩展性和系统的安全性。三种基于区块链的能源交易模式被提出来克服技术挑战和市场障碍，以更好地采用这种颠覆性技术。
2020-04-20 cs.DC cs.GT
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
Layer 2 Blockchain Scaling: a Survey
区块链技术受到可扩展性的巨大限制的影响，从而对性能产生影响。本讨论旨在分析当前可用的第二层解决方案的最新技术水平，以克服这些局限性，既侧重于理论和实践方面，又突出了所研究框架之间的主要差异。这部作品的结构基于三个主要部分。特别是，第一部分是关于技术、可伸缩性问题和第二层解决方案的介绍性部分。第二部分代表了讨论的核心，由三个不同的小节组成，每个小节都详细分析了各自的解决方案（Lightning Network、Plasma、Rollups）;每个解决方案的分析都基于它如何影响区块链技术和第二层的五个关键方面：可扩展性、安全性、去中心化、隐私、费用和小额支付（鉴于后两者的高度相关性，将其放在一起分析）。最后，第三部分包括一个表格摘要，后面是一个用例的详细描述，该用例专门用于对所提出的框架进行实际评估。工作结果符合预期：所有解决方案都有效地提高了可扩展性。一个关键的澄清是，在所有可能的应用领域中，这三种方法中没有一种方法优于其他方法，采用每一种方法的后果是不同的。因此，选择取决于应用程序上下文，并且必须在前面提到的方面之间找到折衷。
2021-07-22 cs.CR cs.DC
DEXON: A Highly Scalable, Decentralized DAG-Based Consensus Algorithm
区块链系统是一个复制的状态机，必须是容错的。在设计区块链系统时，通常会在去中心化、可扩展性和安全性之间进行权衡。在本文中，我们提出了一种新的区块链系统DEXON，它实现了高度的可扩展性，同时在现实世界的环境中保持分散和健壮。我们有两个主要贡献。首先，我们为区块链提供了一个高度可扩展的分片框架。该框架采用任意数量的单链并将其转换为\textit{blocklattice}数据结构，从而使\textit{high scalability}和\textit{low transaction confirmation latency}具有渐进最优的通信开销。其次，我们提出了一个单链协议的基础上，我们的新的可验证的随机函数和一个新的拜占庭协议，实现高分散和低延迟。
2018-11-19 cs.CR cs.DB cs.DC
Performance Tuning and Scaling Enterprise Blockchain Applications
区块链的可扩展性可能是复杂和昂贵的。随着企业开始采用区块链技术来解决业务问题，人们担心区块链应用程序是否能够支持生产系统的交易需求。事实上，作为区块链应用程序基础的多个分布式组件和协议使得性能优化成为一项重要的任务。区块链性能优化和可扩展性需要一种方法来降低复杂性和成本。此外，现有的性能结果通常缺乏生产应用程序的需求、负载和基础设施。在本文中，我们首先开发了一种方法来优化企业区块链应用程序的性能，以提高性能和交易容量。该方法应用于基于区块链的企业应用程序（利用Hyperledger Fabric）进行性能调整和优化，目标是弥合实验室和生产部署系统性能之间的差距。然后，我们展示了对内部部署和云部署的性能测试的广泛结果和分析，在这些测试中，我们能够将应用程序从30 TPS扩展到3000 TPS，而无需分叉Hyperledger Fabric源代码并保持合理的基础设施占用空间。我们还提供区块链应用程序和平台建议，以提高性能。
2019-12-24 cs.DC cs.PF
On and Off-Blockchain Enforcement Of Smart Contracts
在本文中，我们讨论了如何将传统的商业合同转换为智能合同--它们的电子等价物，可用于在运行时间系统地监控和执行合同权利，义务和禁令。我们解释说，新兴的区块链技术肯定是实现智能合约的一个有前途的平台，但我们认为，由于性能、可扩展性和一致性要求，以及语言表达能力和难以解决的成本问题，有很多应用程序的区块链是不够的。我们解释说，在某些情况下，不依赖区块链的集中式方法是一种更好的选择，因为它的简单性，可扩展性和性能。我们建议，在去中心化和透明度至关重要的应用程序中，开发人员可以有利地将这两种方法结合到混合解决方案中，其中一些操作由部署在区块链上的执行者执行，其余操作由部署在可信第三方上的执行者执行。
2018-05-02 cs.CR cs.CY cs.DC
SoK: Scalability Techniques for BFT Consensus
随着区块链系统的发展，最近的许多研究工作都提出了分布式账本技术（DLT），该技术采用拜占庭容错（BFT）共识协议来决定将哪个块添加到账本旁边。值得注意的是，BFT共识可以提供高性能，能源效率和可证明的正确性属性，因此它被认为是创建高弹性和高性能区块链基础设施的有前途的构建块。然而，一个主要的持续挑战是使BFT共识适用于大规模环境。最近的大量工作通过开发新的想法来解决这一挑战，以提高BFT共识的可扩展性，从而为适应区块链需求的新一代BFT协议开辟了道路。在这项调查中，我们创建了一个关于最先进的BFT共识协议使用的新型可扩展性增强技术的知识系统化。为了进行比较，我们仔细分析了这些协议所做的努力、假设和权衡。
2023-03-20 cs.DC
JaxNet: Scalable Blockchain Network
今天的世界是根据价值和价值组织起来的。全球经济需要一种分散的单一全球货币。比特币是这一需求的部分解决方案，但它存在可扩展性问题，这使其无法被大规模采用。此外，比特币的通货紧缩性质促使人们囤积和投机比特币，而不是将其用于日常交易。我们提出了一种基于工作量证明的可扩展、分散的加密货币。该解决方案涉及在封闭网络中使用一种机制来奖励矿工，该机制与他们维护网络的努力成比例。该设计引入了一种新的方法来解决基于合并挖掘的区块链网络中的可扩展性问题。
2020-10-28 cs.DC
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
Evaluating the Red Belly Blockchain
在本文中，我们提出了迄今为止对区块链系统最广泛的评估。为了在4大洲10多个国家的服务器上实现可扩展性，我们彻底重新审视了拜占庭容错区块链和签名验证。由此产生的区块链被称为红腹区块链（RBBC），提交了由无权限节点发出的超过10万笔交易。这些交易通过由许可节点运行的部分同步共识在几秒钟内被分组到块中。它通过保证所有参与者以确定性的方式在链的任何给定索引处决定唯一块来防止双重支出。我们比较了传统的拜占庭容错的替代品和最近的随机化解决方案的RBBC的性能。在具有低端机器的相同地理分布环境中，我们注意到两个有趣的比较：（i）RBBC吞吐量可扩展到数百台机器，而联盟区块链使用的经典3步基于领导者的BFT状态机无法扩展到40个相同配置的节点;（ii）RBBC保证事务在3秒内完成，并经历随机化延迟的三分之一-HoneyBadgerBFT这样的解决方案可以提供。这种经验评估表明，区块链的可扩展性可以在不牺牲安全性的情况下实现。
2018-12-31 cs.CR cs.DC
XLPN: Efficient and Scalable Cross-Ledger Protocols for the Topological Consortium of Permissioned Blockchains
虽然越来越多的特定于应用程序的区块链或分类账正在实施和部署，但这些分类账之间的信息交换仍然是一个悬而未决的问题。现有的交叉账本协议（XLPs）表现出各种限制，例如可扩展性、活跃性、效率等。本文提出了一种新的XLP，即XLPN-22，它为账本联盟引入了一个全局拓扑，以实现更高的跨账本数据交换效率和可扩展性。在这项工作中，我们证明了XLPN-22的安全性和活性，并分析了它的理论复杂性。我们还在SciChain账本上实施了XLPN-22，并在多达128个节点，8个账本和16，000个交易上进行了评估。实验结果表明，XLPN-22的性能分别比VLDB-20和PODC-18提高了18- 50%和64- 84%.
2021-12-30 cs.DB cs.DC
Microchain: a Light Hierarchical Consensus Protocol for IoT System
虽然大规模物联网（IoT）使许多新的应用变得可行，如智能城市，但IoT也带来了对数据可靠性，安全性和隐私的新担忧。区块链技术的快速发展依赖于一个去中心化、不可变和分布式的账本系统来进行交易数据审计，为解决物联网中的问题提供了一个有前景的解决方案。区块链和智能合约支持的物联网应用安全机制吸引了学术界和工业界越来越多的兴趣。然而，将面向加密货币的区块链技术集成到物联网系统中会遇到可扩展性、存储容量、安全性和隐私性方面的巨大挑战。特别地，区块链网络的性能显著依赖于共识机制的性能，例如，在数据机密性、事务吞吐量和网络可扩展性方面。在本章中，深入回顾了最先进的区块链网络，从吞吐量、可扩展性和安全性方面确定了设计物联网网络共识机制的关键矩阵。为了展示为物联网系统设计可扩展的轻量级区块链协议的案例研究，引入了微链框架，并在物理网络环境中实现了概念验证原型。实验结果验证了将微链集成到物联网系统中的可行性。
2019-12-21 cs.DC
Understanding the Scalability of Hyperledger Fabric
区块链系统的快速增长导致人们对大规模理解和比较区块链性能的兴趣越来越大。在本文中，我们重点分析了Hyperledger Fabric v1.1的性能-最流行的许可区块链系统之一。之前的工作已经深入分析了Hyperledger Fabric v0.6，但系统的新版本发生了重大变化，需要进行新的分析。现有的工作基准系统的范围是有限的：一些只考虑小型网络，其他人认为系统的可扩展性，而不是整个只有部分。我们对Hyperledger Fabric v1.1进行了全面的性能分析。我们扩展了现有的基准测试工具，在许多服务器上进行实验，同时扩展系统的所有重要组件。我们的研究结果表明，Fabric v1.1的可伸缩性瓶颈在于执行和排序阶段之间的通信开销。此外，我们还证明了扩展用于排序阶段的Kafka集群不会影响整体吞吐量。
2021-07-21 cs.CR cs.DB cs.DC
CBlockSim: A Modular High-Performance Blockchain Simulator
区块链自2008年出现以来，引起了学术界和工业界的广泛关注。由于大规模区块链部署的不便，区块链模拟器被用来促进区块链的设计和实现。我们评估了应用于比特币和以太坊的最先进的模拟器，发现它们的性能和可扩展性较低，这是显著的局限性。为了构建一个更通用、更快速的区块链模拟器，我们扩展了现有的区块链模拟器，即BlockSim。我们添加了一个网络模块，集成了网络拓扑生成算法和块传播算法，以生成真实的区块链网络并有效地模拟块传播。我们设计了一个二进制事务池结构，并将BlockSim从Python迁移到C++，以便使用按位操作来加速模拟并减少内存使用。此外，我们基于五个主要的区块链进程对模拟器进行了模块化。重要的区块链元素，包括共识协议（PoW和PoS），信息传播算法（Gossip）和终结规则（Longest rule和GHOST rule）都在各个模块中实现，并且可以灵活组合以模拟不同类型的区块链。实验表明，新的模拟器将模拟时间减少了一个数量级，并提高了可扩展性，使我们能够模拟超过一万个节点，大致相当于比特币和以太坊网络的规模。提出了两个典型的用例来研究大多数其他模拟器所不涵盖的网络相关问题。
2022-05-30 cs.DC cs.PF
Distributed Cross-Blockchain Transactions
跨多个或多个区块链的互操作性将在即将到来的基于区块链的数据管理范式中发挥关键作用。特别是，如何确保这些交易在任意数量的区块链上的ACID属性仍然是学术界和工业界的一个悬而未决的问题：现有的解决方案要么只适用于两个区块链，要么需要一个集中式组件，这两种解决方案都不符合实践中的可扩展性要求。这篇简短的论文分享了我们对可扩展的跨区块链交易的愿景和一些早期结果。具体来说，我们设计了两个分布式提交协议，并通过分析和实验，证明了它们的有效性。
2020-02-26 cs.DB cs.DC
ResilientDB: Global Scale Resilient Blockchain Fabric
区块链技术的最新发展激发了弹性分布式和数据库系统的创新设计。在其核心，这些区块链应用程序通常使用拜占庭容错共识协议来维护所有副本的共同状态，即使某些副本有故障或恶意。不幸的是，现有的共识协议不是设计来处理地理规模的部署，其中许多副本分布在一个地理上大的区域参与共识。为了解决这个问题，我们提出了地理尺度拜占庭容错共识协议（GeoBFT）。GeoBFT通过在本地集群中使用拓扑感知的副本分组，通过在本地级别引入共识的并行化以及通过最小化集群之间的通信来实现出色的可扩展性。为了验证我们对高性能地理尺度弹性分布式系统的愿景，我们在高效的ResilientDB许可区块链结构中实现了GeoBFT。我们表明，GeoBFT不仅是健全的，并提供了很大的可扩展性，但也优于国家的最先进的共识协议的一个因素，在地理规模的部署。
2020-03-18 cs.DB cs.DC
A Mathematical Theory of Hyper-simplex Fractal Network for Blockchain: Part I
本文提出超单纯形分形网络拓扑的数学理论，通过将一维数据块折叠为N维单纯形几何结构，实现近无限可扩展性、分层共识与确定性快速路由，为下一代区块链架构奠定基础。
2024-10-01 cs.DC cs.NI
QPQ 1DLT: A system for the rapid deployment of secure and efficient EVM-based blockchains
有限的可扩展性和交易成本是阻碍分布式账本技术（DLT）更广泛采用的一些关键问题。以太坊区块链尤其如此，到目前为止，它一直是采用率最高的生态系统。在过去的几年里，已经尝试了相当多的解决方案，特别是在以太坊方面。它们中的大多数都采用了从区块链主网卸载交易的方法，也就是第1级（L1），连接到单独的网络。这些系统统称为2级（L2）系统。在缓解可扩展性问题的同时，L2的采用引入了额外的缺点：用户必须相信L2系统已经正确执行了事务，或者相反，需要高计算能力来证明事务的正确性。此外，需要大量的技术知识来建立和管理这样一个L2系统。为了解决这些限制，我们提出了1DLT：一种新的系统，可以快速和不信任地部署基于以太坊虚拟机的区块链，从而克服这些缺点。
2022-08-16 cs.DC
Towards Efficient Integration of Blockchain for IoT Security: The Case Study of IoT Remote Access
蓬勃发展的物联网（IoT）市场引起了网络攻击者的极大兴趣。集中式基于云的物联网服务架构在安全性、可用性和可扩展性方面存在严重限制，并且容易受到单点故障（SPOF）的影响。最近，在区块链上提供物联网服务已经成为一种趋势，以提高安全性、隐私性和可靠性。然而，区块链的高成本，低吞吐量和长延迟的缺点使其不适合物联网应用。在本文中，我们回顾了现有的基于区块链的物联网解决方案，并提出了一个有效的区块链和物联网集成框架。根据该框架，我们设计了一种新型的区块链辅助的分散式物联网远程访问系统RS-IoT，该系统具有在不依赖任何可信第三方的情况下保护物联网设备免受零日攻击的优点。通过引入由智能合约执行的激励和惩罚措施，我们的工作实现了“经济方法”，以挫败大多数旨在获得金钱收益的攻击者。我们的工作提供了一个例子，说明如何使用区块链来确保去中心化环境中服务交易的公平性，并客观地惩罚不当行为。我们通过详细的安全分析来展示RS-IoT的安全性。最后，我们通过以太坊测试网区块链上的概念验证实现来展示其可扩展性，效率和可用性。
2019-11-30 cs.CR cs.DC cs.NI
Blockchain and Smart-contracts Modeled in a SwarmESB Ecosystem
区块链已经成为一种可信和安全的分布式交易分类账，同时也是去中心化的，分布式的，其合法性不受可信机构的保证。自从比特币出现以来，区块链已经知道了许多基于P2P架构的实现。本文介绍了如何将区块链和智能合约技术集成到SwarmESB生态系统中。SwarmESB是一个帮助构建分布式应用程序的框架，它受益于隐私和可伸缩性特性。我们的提案不仅可以灵活地构建基于微服务的应用程序，还可以通过对示例Dapp进行建模来构建采用区块链和智能合约的去中心化应用程序。
2018-09-28 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
SoK: Diving into DAG-based Blockchain Systems
区块链在加密货币市场和技术服务中发挥着重要作用。然而，高延迟和低可扩展性的限制阻碍了它们在经典设计中的采用和应用。已经提出了重建的区块链系统，以避免由线性序列块引起的竞争性交易的消耗。相反，这些系统以有向无环图（DAG）的形式构建交易/区块，并因此重新构建上层组件，包括共识，激励，\textit{etc.}基于DAG的区块链系统的承诺是实现快速确认（百万秒内完成交易）和高可扩展性（并行附加交易），而不会显着损害安全性。然而，这一领域仍然缺乏系统的工作，总结了DAG技术。为了弥合这一差距，知识系统化（SoK）提供了对基于DAG的区块链系统的全面分析。通过对开放源代码系统的解构和学术研究的回顾，总结了系统的主要组成部分和特征属性，并给出了建立DAG的方法。在此基础上，我们分析了几个领先系统的安全性和性能，然后讨论并比较了并发（扩展区块链）技术。我们进一步确定了开放的挑战，以突出基于DAG的解决方案的潜力，并指出其有前途的未来研究方向。
2022-10-29 cs.CR cs.DC cs.PF
Decentralized Blockchain-based model for Edge Computing
区块链技术是当今世界上发展最快的技术之一。它已在不同领域被采用，但主要是在金融系统中，如比特币加密货币。因此，它是一个吸引了包括计算机科学在内的各个领域的研究人员的兴趣的利基。区块链正在被接受的其他领域包括智能电网和物联网（IoT）技术等。虽然它很好，并改善了许多应用领域，但区块链仍然存在一些缺点。例如，它不是为适应正常事务时的高可伸缩性而设计的。另一方面，出现了一种在分布式网络中具有多种应用的并行技术，即边缘计算。它的主要优点是提高了这些网络中pf进程的速度。然而，与区块链一样，边缘计算也有其缺点。它的安全系统和管理系统被认为是不够的。因此，我们的想法是将这两种技术结合起来，利用它们的优势。两者的结合将带来先进的网络服务器、巨大的数据存储和更高的交易安全性。然而，这种融合最好是在采取一些措施的情况下实现。例如，需要解决可伸缩性、令人满意的资源管理以及系统的安全性。为了解决集成问题，本文提出了一种基于分散区块链的边缘计算模型。
2021-06-29 cs.CR cs.DC
Adapting Workflow Management Systems to BFT Blockchains -- The YAWL Example
区块链技术为信息记录提供了一个可审计和防篡改的分布式存储基础设施。这可以用来支持分布式工作流管理。与比特币和以太坊推广的工作量证明共识相比，基于BFT（拜占庭容错）的区块链订购共识交易可扩展性，以实现共识的即时性和最终性。这使得它们更容易用作分发基础设施，因为应用程序不需要进行调整以处理工作量证明区块链的最终一致性和延迟共识。因此，工作流引擎等应用程序可以很容易地移植到这样的区块链基础设施，以利用其分散的完整性保证和信息分发模型。在本文中，我们描述了如何在基于BFT的区块链基础设施上使用YAWL工作流引擎，以实现跨不同组织的协作工作流。
2020-06-10 cs.DC
A Trust and Reputation System for IoT Exploiting Distributed Ledger Technology
比特币的出现，以及随之而来的区块链，开启了一个去中心化的新时代。区块链使相互不信任的实体能够协同工作以实现共同目标。然而，目前的区块链技术缺乏可扩展性，这限制了它们在物联网（IoT）应用中的使用。互联网上的许多设备都具有计算和通信能力，以促进决策。这些设备将很快成为一个500亿节点的网络。此外，传感器即服务（SaaS）等新的物联网业务模式需要强大的信任和信誉系统（TRS）。在本文中，我们介绍了一种结合Tangle和区块链作为物联网TRS框架的创新分布式账本。Tangle和区块链的结合提供了前者的可维护性和后者的可扩展性。拟议的分类账可以处理大量的物联网设备交易，并促进低功耗节点的加入和贡献。采用分布式账本可以减轻许多威胁，例如粉饰攻击。结合支付和评级协议，所提出的方法为上层信誉算法提供了更干净的数据。
2021-11-26 cs.CR cs.DC
Distributed Ledger Technology: Blockchain Compared to Directed Acyclic Graph
如今，区块链正在成为分布式账本技术的代名词。然而，区块链只是该领域的专业化之一，目前在现有文献中已有很好的介绍，但主要是从加密的角度来看。除了区块链技术，一种新的范式正在获得动力：有向无环图。本文提出的贡献是双重的。首先，本文分析了分布式账本技术，重点分析了分布式系统的相关特征。其次，本文分析了有向无环图范式在分布式账本背景下的使用，并将其与基于区块链的解决方案进行了比较。这两种范式使用代表性的实现进行比较：比特币，以太坊和纳米。我们从维护分类账的应用数据结构、共识机制、交易确认信心、分类账规模和可扩展性等方面研究了代表性解决方案。
2018-04-26 cs.DC
RollupTheCrowd: Leveraging ZkRollups for a Scalable and Privacy-Preserving Reputation-based Crowdsourcing Platform
本文提出基于 zkRollups 的众包框架 RollupTheCrowd，通过链下存储和零知识证明实现隐私保护的信誉模型，并将 gas 消耗降低 20 倍，实验验证了其可扩展性和实用性。
2024-07-02 cs.CR cs.DC
From Griefing to Stability in Blockchain Mining Economies
我们研究了区块链采矿经济的博弈论模型，并表明悲伤是一种参与者以较低的成本伤害其他参与者的做法，是其纳什均衡的普遍威胁。证据依赖于一个泛化的进化稳定性，非同质种群通过悲伤的因素（比率，衡量网络损失相对于偏离者自己的损失），这导致了一个正式的理论论据，目前在实践中观察到的耗散资源，巩固权力和高进入壁垒。这种类型的分析中的一个关键假设是，矿工的决策对聚合网络结果（如网络哈希率）具有重大影响。然而，随着网络变得越来越大，矿工的相互作用更接近于分布式生产经济或费舍尔市场，其稳定性也会发生变化。在这种情况下，我们推导出一个比例响应（PR）更新协议，收敛到市场均衡，悲伤是无关紧要的。融合适用于各种矿工的风险状况，以及不同采矿技术的区块链之间不同程度的资源流动性。我们对四种可开采加密货币的案例研究的实证结果表明，风险分散，资源的有限流动性（由不同的采矿技术强制执行）和网络增长，都是固有的不稳定区块链生态系统稳定性的因素。
2021-06-23 cs.DC cs.GT cs.MA
