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
Transaction Characteristics of Bitcoin
区块链被认为是实现虚拟网络功能和网络切片安全管理的重要技术。要了解区块链的这种能力，例如交易确认时间，需要对区块链的交易特征进行深入研究。本文对比特币的交易特征进行了全面的研究-第一个区块链应用程序，重点关注底层的基本过程。获得了一系列结果和发现，为理解比特币的交易和流量特征提供了新的见解。作为一个亮点，在文献中使用的几个假设/假设的有效性与测量检查的第一次。
2020-10-21 cs.CR cs.DC
Horizon: A Gas-Efficient, Trustless Bridge for Cross-Chain Transactions
随着依赖区块链来确保账本安全的数字货币系统的兴起，执行跨链交易的能力正在成为一项至关重要的互操作性要求。这样的交易不仅允许资金从一个区块链转移到另一个区块链（如原子交换），还允许区块链验证另一个区块链上的任何事件。跨链桥是允许加密货币的链上交换，资产到侧链的链上转移以及分片区块链中事件的跨分片验证的协议，其中许多依赖于拜占庭容错（BFT）的可扩展性。不幸的是，可以从BFT区块链转移资金的现有桥接协议会在目的地区块链上产生大量计算开销，从而导致事件智能合约验证的高昂天然气成本。在本文中，我们提出了Horizon，这是一种节省气体的跨链桥接协议，用于将资产从BFT区块链转移到另一个区块链（例如，Ethereum），支持基本的智能合约执行。
2021-01-15 cs.CR cs.DC
Blockchain Transaction Processing
区块链是一个只附加的区块链表，在每个参与节点上维护。每个区块记录一组交易及其相关的元数据。区块链交易作用于存储在每个节点上的相同分类账数据。区块链最初被Satoshi Nakamoto认为是一种点对点的数字商品（也称为加密货币）交换系统。区块链由于其固有的不可变性而受到关注-一旦块被接受，它就无法恢复。
2021-08-04 cs.CR cs.DB 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
SoK: Preventing Transaction Reordering Manipulations in Decentralized Finance
以太坊点对点网络上的用户交易有被攻击的风险。构建去中心化金融（DeFi）的智能合约为以太坊区块链引入了一种新的交易排序依赖。因此，攻击者可以从前端和后端运行的事务中获利。最近出现了多种减轻事务重排序操纵的方法。然而，各种方法在减轻此类攻击方面的成功及其对整个区块链的影响在很大程度上仍未得到研究。在这个知识系统化（SoK），我们分类和分析国家的最先进的交易重排序操纵缓解计划。我们没有将我们的分析局限于一个方案在防止交易重排序攻击方面的成功，而是评估了它对区块链的全面影响。因此，我们能够提供一个完整的图片的优点和缺点，目前的缓解计划。我们发现，目前还没有一个方案能够完全满足区块链生态系统的所有需求。事实上，所有方法都在与区块链生态系统相关的至少一个领域表现出不令人满意的性能。
2022-09-21 cs.CR cs.DC
Taming the Beast of User-Programmed Transactions on Blockchains: A Declarative Transaction Approach
本文提出声明式区块链交易框架，通过扩展原生交易类型减少对智能合约的依赖，并在BigchainDB上验证其性能优势。
2024-11-04 cs.CR cs.DB cs.DC
T-Watch: Towards Timed Execution of Private Transaction in Blockchains
针对区块链定时交易的隐私与成本问题，提出结合门限秘密共享和智能合约的T-Watch方案，支持隐私定时交易执行，通过双模式与请求池机制大幅降低成本，经测试验证可扩展性更优、成本降幅超90%。
2024-05-14 cs.CR 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
Towards Stronger Blockchains: Security Against Front-Running Attacks
针对拜占庭模型下恶意串通导致的 front-running 攻击破坏应用语义的问题，提出保留因果性的全序关系方案，使区块链比传统基于共识的区块链更强大，在拜占庭环境下提供增强的安全性。
2023-11-17 cs.CR cs.DC
Efficient and Fine-grained Redactable Blockchain Supporting Accountability and Updating Policies
Redactable Blockchain旨在确保大多数应用程序的数据不变性，并为某些特定应用程序提供授权的可变性，例如从区块链中删除非法内容。然而，现有的可编辑区块链方案具有较低的编辑效率，并且缺乏可问责和可更新的细粒度机制来控制编辑权限。为了解决上述问题，我们提出了一个高效、细粒度的可编辑区块链方案，该方案具有可问责性和可更新策略。在我们的方案中，事务所有者可以设置与事务相关联的可更新策略，并且只有满足策略的用户才可以成为事务的编辑者。为了防止编辑者滥用编辑权，我们引入了证人组的概念。当且仅当一个修订的事务包含修订者和见证组的签名时，它才是合法的。我们首先给出了见证群的概念，然后给出了所提出的方案。最后，通过一系列的实验和分析，证明了该方案的可行性和有效性.
2022-11-16 cs.CR cs.DC
Max-min Fairness Based Faucet Design for Blockchains
为了在以太坊主网等区块链上执行和记录交易，必须支付以区块链的加密货币单位表示的费用。人们可以从交易所购买名为Ethereum区块链的Ether的加密货币，并支付交易费用。在测试网络（如Rinkeby）或科学研究区块链（如Bloxberg）的情况下，免费的加密货币Ether通过以太网分发给用户。由于区块上的交易插槽、存储和智能合约执行都在消耗区块链资源，因此以太坊是以固定的少量方式分发给用户的。用户可能有不同数量的以太币需求;在不同的时间，一些小的数量和一些大的数量。因此，需要一种更通用的分配机制，允许用户要求和要求任意数量的以太币，同时满足用户之间的公平性，而不是允许用户获得固定的少量以太币。为此，基于最大-最小公平性的方案已经在集中式设置中使用。我们的工作贡献了一个基于最大最小公平的算法及其Solidity智能合约实现，该算法需要与用户数量无关的低交易成本。这在以太坊区块链上很重要，因为交易成本取决于用户数量的智能合约执行将意味着区块气体限制耗尽问题最终会得到解决，从而使智能合约无效。我们报告的测试证实，我们的算法已经实现了低交易成本的目标。
2021-08-19 cs.CR cs.DC
Hydra: A Multiple Blockchain Protocol for Improving Transaction Throughput
提高交易吞吐量是去中心化支付系统面临的主要挑战之一。提高加密货币交易吞吐量的尝试通常是吞吐量和安全性之间的权衡，或者引入一个中心组件。我们提出了Hydra，一个分散的协议，提高了交易吞吐量，没有安全权衡，没有中央组件。我们的新方法将区块分布在多个区块链上。Hydra在交易吞吐量和最终性之间进行权衡，最终性是稳定区块链中交易记录所需的时间。我们严格分析了多区块链协议中的双重花费攻击。我们的分析表明，每秒的事务数可以显着增加，而最终性是在可接受的范围内。
2019-10-15 cs.DC
Mitigating Blockchain extractable value (BEV) threats by Distributed Transaction Sequencing in Blockchains
本文针对DeFi中的BEV威胁和交易排序不公平问题，提出结合分叉机制与AHP的分布式交易排序策略DTSS，并引入NADM优化参数，实验证明其能有效缓解BEV风险、提升交易公平性与系统安全性。
2025-03-08 cs.CE cs.CR cs.DC
On Exploiting Transaction Concurrency To Speed Up Blockchains
共识协议目前是阻止区块链系统扩展的瓶颈。然而，我们认为交易执行对区块链的性能和安全性也很重要。换句话说，有足够的机会通过降低交易执行成本来加速和进一步保护区块链。我们的目标是了解通过利用区块链工作负载中可用的事务并发性，我们可以在多大程度上加速区块链。为此，我们首先分析了七个主要公共区块链的历史数据，即比特币，比特币现金，莱特币，狗狗币，以太坊，以太坊经典和Zilliqa。我们考虑两个指标的并发性，即每个块的单事务冲突率，和每个块的组冲突率。我们发现，基于UTXO的区块链比基于账户的区块链有更多的并发性，尽管前者的并发量低于预期。另一个有趣的发现是，一些具有较大区块的区块链比具有较小区块的区块链具有更多的并发性。接下来，我们提出了一个分析模型，估计事务执行速度给定的并发量。使用我们的实证分析结果，该模型估计，如果利用所有可用的并发，以太坊可以实现6倍的速度提升。
2020-07-14 cs.DC
Heuristics for Detecting CoinJoin Transactions on the Bitcoin Blockchain
Coinshares；Ecole Polytechnique（巴黎综合理工学院）
本研究针对比特币区块链上CoinJoin交易难以识别的问题，深入分析JoinMarket、Wasabi和Whirlpool等协议的开源实现，开发了精炼的启发式检测方法，并基于截至区块760,000的交易数据提供了全面分析。
2023-11-21 cs.CR cs.DC cs.LG
Device Identification in Blockchain-Based Internet of Things
近年来，区块链技术受到了极大的关注。区块链用户通过一个可改变的公钥（PK）来识别，该公钥引入了一定程度的匿名性，然而，研究表明，匿名交易可以链接到用户。现有的大多数关于用户去匿名化的研究都集中在货币应用上，然而，区块链在物联网等非货币应用中得到了广泛的关注。在本文中，我们研究了去匿名化对基于物联网的区块链的影响。我们用灵巧家庭设备的数据填充区块链，然后应用机器学习算法，试图将交易分类到特定的设备，这反过来又会危及用户的隐私。定义了两种类型的攻击模型：（i）知情攻击：其中攻击者知道安装在灵巧家庭中的设备的类型，以及（ii）盲目攻击：其中攻击者没有此信息。我们表明，机器学习算法可以成功地对交易进行分类，准确率达到90%。为了提高用户的匿名性，我们引入了多种混淆方法，包括将多个数据包合并到一个交易中，合并多个设备的账本，以及延迟交易。实验结果表明，这些模糊处理方法可以将攻击成功率降低到20%~ 30%，从而增强用户隐私保护。
2022-02-19 cs.CR 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
Atomicity and Abstraction for Cross-Blockchain Interactions
针对多链环境下跨链通信抽象缺失、原子交易范围受限的问题，提出统一高层跨链通信接口与通用多链原子交易协议，经原型验证可简化开发且性能媲美定制方案。
2024-03-12 cs.CR cs.DC
Fee-Redistribution Smart Contracts for Transaction-Fee-Based Regime of Blockchains with the Longest Chain Rule
在本文中，我们回顾了基于交易费用的工作量证明（PoW）区块链中最长链分叉选择规则的削弱攻击。接下来，我们关注采矿收入波动和采矿缺口的问题-即，这种情况下，交易费的直接奖励不足以支付矿工的支出。为了缓解这些问题，我们提出了一种解决方案，将开采区块的交易费用分为两部分-（1）对区块矿工的即时奖励和（2）发送到一个或多个费用再分配智能合约（$\mathcal{FRSC}$）的存款，这些智能合约是共识协议的一部分。与此同时，这些再分配智能合约在预定义的时间内向区块的矿工奖励一定比例的累积资金。这种设置使我们能够实现几个有趣的属性，有利于激励的稳定性和安全性的协议。通过我们的解决方案，严格不执行挖底攻击的默认矿工比例从最先进的66%降低到30%。
2023-02-09 cs.CR cs.DC
Distributed Nonblocking Commit Protocols for Many-Party Cross-Blockchain Transactions
跨多个区块链的互操作性将在未来基于区块链的数据管理范式中发挥关键作用。现有的技术要么只适用于两个区块链，要么需要一个集中式组件来管理跨区块链交易的执行，这两种技术都不符合可扩展性要求。本文提出了一种新的分布式提交协议，即\textit{cross-blockchain transaction}（CBT），用于在没有任何集中组件的情况下跨任意数量的区块链进行交易。CBT的核心思想是通过心跳机制扩展两阶段提交协议，以确保CBT的活性，而无需引入额外的节点或区块链。我们已经实现了CBT，并将其与最先进的协议进行了比较，证明了CBT的低开销（两个区块链之间的开销为3.6%，在32个或更多区块链中小于$1\%$）和高可扩展性（最多64个区块链交易的线性可扩展性）。此外，我们还为用户开发了一个图形用户界面，以虚拟地监控跨区块链交易的状态。
2020-01-05 cs.DB cs.DC
Rainblock: Faster Transaction Processing in Public Blockchains
像以太坊这样的公共区块链使用Merkle树来验证从不受信任的服务器接收的交易，然后将其应用于区块链。我们的经验表明，这种区块链的低吞吐量是由于与使用Merkle树处理交易相关的I/O瓶颈。我们提出了RAINBLOCK，这是一种新的公共区块链架构，可以在不影响安全性的情况下提高吞吐量。RAINBLOCK通过在两个方面解决I/O瓶颈来实现这一点：首先，将事务处理与I/O解耦，并从关键路线中删除I/O;其次，通过为区块链定制存储来减少I/O放大。RAINBLOCK使用Merkle树的一种新变体，分布式分片Merkle树（DSM-TREE）来存储系统状态。我们使用基于公共以太坊跟踪（包括智能合约）的工作负载来评估RAINBLOCK，并显示RAINBLOCK在地理分布的环境中每秒处理2万笔交易，其中四个区域分布在三大洲。
2020-10-15 cs.DC
XOX Fabric: A hybrid approach to blockchain transaction execution
性能和可扩展性是区块链的主要关注点：无权限系统通常受到X共识算法的缓慢证明和网络每个节点上的顺序后序交易执行的限制。通过在参与者中引入少量的信任，Hyperledger Fabric等许可区块链系统可以受益于更高效的共识算法，并在网络节点的子集上使用并行预排序执行。特别是Fabric，已经被证明每秒可以处理数万个事务。但是，这种性能仅适用于无争用事务工作负载。如果许多事务都在争夺世界状态中的一小部分热键，那么有效吞吐量就会急剧下降。因此，我们建议XOX：一种新颖的双管齐下的事务执行方法，既可以最大限度地减少Fabric区块链中的无效事务，又可以最大限度地提高并发执行。我们的方法还可以防止客户端重新提交冲突的交易无意中拒绝服务攻击。即使在完全有争议的工作负载下，XOX每秒也可以处理超过3000个事务，所有这些事务都将被常规Fabric丢弃。
2020-03-09 cs.DC
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
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
A Framework of Transaction Packaging in High-throughput Blockchains
我们开发了一个去中心化多边市场的协调和分配模型，其中我们的理论分析有望优化高吞吐量区块链或Web 3.0平台上的去中心化交易包装过程。与程式化的集中式平台相比，分散式平台由区块链技术提供支持，允许用户之间进行安全透明的点对点交易。传统的基于单链的区块链受到众所周知的区块链三难困境的困扰。除了基于单链的方案之外，去中心化的高吞吐量区块链采用并行协议来协调区块链三元困境，实现任何任务和所需的分配。然而，不可忽视的网络延迟可能会导致部分可观察性，导致当前高吞吐量区块链协议下分散交易打包过程的不协调和错误分配问题。为了解决这个问题，我们使用博弈论方法考虑去中心化交易包装过程的战略协调机制。在一个易于处理的两阶段模型下，我们发现了部分可观测条件下矿工策略交易包装的贝叶斯纳什均衡。随着计算均衡收益的新算法，我们表明，分散的平台可以实现有效和稳定的市场结果。该模型还强调，拟议的机制可以内生地提供每种气体的基本费用，而无需对初始区块链交易费用机制进行任何重组。作为算法基础的理论结果也暗示了平衡收益的计算复杂性的界限。
2023-01-26 cs.CR cs.DC cs.GT
Fork-Resilient Cross-Blockchain Transactions through Algebraic Topology
跨区块链交易（CBT）是下一代基于区块链的数据管理系统的基石。然而，最先进的CBT模型没有解决可能使整个CBT无效的局部叉悬挂的影响。本文采用代数拓扑方法将区块链及其交易抽象为单纯复形，并表明CBT无法通过$t$弹性消息传递协议在\textit{committed}或\textit{aborted}状态下完成。这一结果意味着需要一个更复杂的模型来支持CBT，从而为未来的区块链设计提供了启示。
2020-05-10 cs.DB cs.DC
Transactional Smart Contracts in Blockchain Systems
本文介绍了TXSC，这是一个为智能合约开发人员提供事务原语的框架。这些原语允许开发人员编写智能合约，而无需考虑由于并发智能合约函数执行而可能出现的异常。
2019-09-14 cs.DB cs.DC
Coded Transaction Broadcasting for High-throughput Blockchains
高吞吐量区块链需要高效的交易广播机制，可以将交易以低带宽开销和延迟交付给大多数网络节点。现有的方案协调跨节点的传输，以避免发送冗余数据，但它们要么会导致高延迟，要么对敌对网络节点不鲁棒。我们提出了Strokkur，一个新的事务广播机制，提供低带宽开销和低延迟。Strokkur背后的核心思想是通过随机事务编码来避免显式协调。而不是转发个别交易。Strokkur节点发送码字-随机选择的多个交易的XOR和。由于几乎每个码字对于接收方解码新交易都是有用的，因此Strokkur节点不需要协调，例如，确定接收方丢失了哪些交易。Strokkur的编码策略建立在LT码（一种流行的无比率擦除码）的基础上，并将其扩展为支持多个不协调的事务数据流，这些事务数据流部分重叠。Strokkur引入了一些机制来应对可能发送损坏码字的对抗性攻击，以及一个简单的速率控制算法，该算法使每个节点能够独立地确定每个对等体的码字的适当发送速率。我们在Golang中实现的Strokkur仅使用一个CPU核心就支持每秒647 k的事务。我们对19个节点的互联网部署和大规模模拟的评估表明，Strokkur消耗的带宽比比特币中现有方案少2- 7.6倍，延迟比Shrec低9倍，只有4%的节点是对抗性的。
2022-05-03 cs.CR cs.DC cs.NI
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
Lockless Blockchain Sharding with Multiversion Control
分片用于解决区块链协议的性能和可扩展性问题，该协议将整体事务处理成本分摊到多个节点集群中。与现有的整个区块链网络相比，分片需要更少的存储容量以及每个节点的通信和计算成本，并且它们并行运行以最大化性能。然而，现有的分片解决方案将锁用于事务隔离，这降低了系统吞吐量并且可能引入死锁。本文提出了一种无锁事务方法，可以在不使用锁的情况下确保事务隔离，从而提高事务的并发性和吞吐量。在我们的方法中，事务被拆分为子事务，以实现多个分片中的并行处理。我们使用事务帐户的版本来实现分片之间的一致性。我们为活性和正确性提供了形式证明。我们还实验评估我们提出的协议和比较的执行时间和吞吐量与基于锁的方法。实验表明，事务的执行时间大大短于基于锁的时间，接近理想的（无锁）执行时间。
2023-03-30 cs.DC
Smart Red Belly Blockchain: Enhanced Transaction Management for Decentralized Applications
本文针对去中心化应用区块链的交易管理瓶颈，提出交易验证缩减与逐子块存储优化，并基于 SRBB VM 构建 Smart Red Belly Blockchain，在跨五大洲200节点实验中最高达4000 TPS。
2025-01-04 cs.DC
Operation-level Concurrent Transaction Execution for Blockchains
尽管在各种场景中取得了成功，但区块链系统，特别是串行执行交易的兼容EVM的系统，仍然面临着吞吐量有限的重大挑战。并发事务执行是加速事务处理和提高整体吞吐量的一种很有前途的技术。然而，现有的并发控制算法由于高争用工作负载而无法在现实世界的区块链中获得足够的加速比。在本文中，我们提出了一种新的操作级并发控制算法设计的区块链。我们的算法背后的核心思想是，只有依赖于冲突的操作应该串行执行，而所有其他无冲突的操作可以并发执行。因此，在传统的方法，这块或中止整个事务时遇到冲突，我们的算法引入了一个重做阶段，以解决冲突，在操作层面上重新执行冲突的操作。我们还开发了一套数据依赖跟踪机制，以实现精确识别和快速重新执行冲突的操作。我们实现了一个基于Go Ethereum的开源原型，并使用真实世界的Ethereum块对其进行评估。评估结果表明，我们的算法实现了4.28 $\times$的平均加速比。如果与状态预取技术相结合，我们的方法可以进一步加速事务执行7.11 $\times$。
2022-11-17 cs.DC
Evolutionary Game for Consensus Provision in Permissionless Blockchain Networks with Shard
随着去中心化共识协议的发展，无需许可的区块链被认为是通用交易驱动的自治系统的一个有前途的推动者。然而，大多数流行的区块链网络都是建立在被称为工作量证明的密码谜题框架下的共识协议上的。这样的协议面临着交易处理瓶颈的固有问题，因为网络以非常高的延迟为代价实现了交易确认的分散共识。在本文中，我们研究了在具有分片共识的多个吞吐量可扩展区块链系统中的共识形成问题。具体而言，分片共识的协议设计不仅能够并行化处理器子组的事务验证过程，而且还引入了用于加速共识过程的拜占庭共识协议。通过允许不同的区块链征收不同水平的处理费用并具有不同的交易生成率，我们的目标是模拟现实世界中基于区块链的多服务提供生态系统。我们专注于在大量共识处理器的条件下区块链选择的动力学。因此，我们将各个处理器对区块链选择的演变建模为进化博弈。理论和数值分析提供有关的进化平衡和稳定性的处理器的策略在一般情况下。
2018-11-16 cs.CR cs.DC cs.GT
ConChain: A Scheme for Contention-free and Attack Resilient BlockChain
针对区块链中冲突交易导致的高延迟、低吞吐量、交易失败及相关攻击问题，本文提出融合交易并行性与智能依赖管理器的 ConChain 方案，以减少竞争、提升性能并增强抗攻击能力。
2023-12-13 cs.DC
ParBlockchain: Leveraging Transaction Parallelism in Permissioned Blockchain Systems
许多现有的区块链不能充分解决分布式系统应用程序的所有特征，并且受到严重的架构限制，导致性能和机密性问题。虽然最近的许可区块链系统试图克服这些限制，但它们的重点主要是无争用的工作负载，即，没有冲突的交易。在本文中，我们介绍了OXII，这是一种新的许可区块链范式，用于支持并发执行的分布式应用程序。OXII专为具有（不同程度）争用的工作负载而设计。然后，我们介绍了ParBlockchain，一个专门在OXII范式中设计的许可区块链。使用一系列基准测试对ParBlockchain进行的评估表明，它在任何竞争程度的工作负载中的性能都优于最先进的许可区块链系统。
2019-02-04 cs.DB cs.DC
CATs: Secure Blockchain Interoperability with Cross-chain Atomic Transactions
Move Industries（Move工业）；Movement Labs（Movement实验室）
提出跨链原子事务（CATs）协议，解决跨链原子性保证难题。通过共享协调层等确保事务全成功或全失败，分离执行集防阻塞，引入超时等保障活性，实现快速安全跨链执行并保留链自主性。
2026-07-07 cs.DC
Performance Optimization of High-Conflict Transactions within the Hyperledger Fabric Blockchain
本文针对Hyperledger Fabric中高冲突交易影响性能的问题，提出将MVCC提前至交易流程前序阶段以尽早检测冲突，设计了OEMVCC和OEMVCC-EA两种改进方案，实验证明显著提升了吞吐量与延迟。
2024-07-30 cs.DC
DiPETrans: A Framework for Distributed Parallel Execution of Transactions of Blocks in Blockchain
当代区块链，如比特币和以太坊，由矿工和验证者连续执行交易，并确定工作量证明（PoW）。这种串行执行无法有效地利用现代多核资源，因此限制了系统吞吐量并增加了事务接受延迟。这项工作的目的是通过引入并行事务执行使用静态分析技术，以增加事务吞吐量。我们提出了一个框架DiPETrans的分布式执行的交易块。在这里，区块链网络中的对等点形成一个社区来执行交易并使用领导者-追随者方法找到PoW。在挖掘过程中，leader静态分析事务，创建独立事务的不同组（分片），并将它们分发给follower以并行执行它们。在事务执行之后，社区的计算能力被用来并发地解决PoW。当一个区块被成功创建时，领导者将提议的区块广播给网络中的其他对等体进行验证。在接收到一个区块时，验证器会重新执行区块交易，并在区块达到矿工共享的相同状态时接受该区块。验证也可以作为一个社区并行进行，遵循与挖掘相同的领导者-追随者方法。我们报告了使用以太坊区块链中超过500万个真实交易的实验，并使用我们的DiPETrans框架执行它们，以经验验证我们的技术相对于传统顺序执行的优势。我们实现了矿工2.2倍的最大加速，验证器2.0倍的最大加速，每个区块100到500个交易。此外，当使用社区中的6台机器时，我们使用并行矿工实现了5倍于串行矿工的端到端块创建加速峰值。
2021-03-13 cs.DC
COMIT - Cryptographically-secure Off-chain Multi-asset Instant Transaction Network
自2009年比特币创建以来，我们看到了对公共和私人区块链的巨大推动。为了避免碎片化，设想了一个连接所有这些区块链的全球网络。就像互联网促进通信和信息传输一样，我们提出了一个规模和范围类似的支付和交易系统：加密安全的链下多资产即时交易网络（COMIT）可以使用跨链路由协议（CRP）将任何区块链上的任何资产连接和交换到任何其他区块链。COMIT是一个超级区块链网络，允许使用链下智能合约执行即时交易。它利用跨链的支付渠道和哈希时间锁合同（HTLC）来解决双重支出攻击问题，而无需在底层区块链上进行结算。COMIT的连接由流动性提供商（LP）提供，他们在一个或多个区块链上运营，充当单个链上的支付中心和节点以及分散网络中的做市商，用于跨链资产转换。本文介绍了COMIT的工作原理，为用户、流动性提供商和企业带来的好处;以及这不仅加速了区块链技术的采用，而且还允许与传统银行系统集成。
2018-10-04 cs.DC
Tracing Cross-chain Transactions between EVM-based Blockchains: An Analysis of Ethereum-Polygon Bridges
本文提出一种利用EVM兼容链上地址一致性，结合交易时间、价值和代币标识的匹配启发式算法，追踪以太坊与Polygon间跨链交易，在超200万笔交易中实现存款99.65%和取款92.78%的匹配率，并分析其特性以提升桥接效率与安全性。
2025-04-21 cs.DC
OrderlessChain: Do Permissioned Blockchains Need Total Global Order of Transactions?
针对许可链中基于协调的全局排序导致高延迟和低吞吐量的问题，提出无协调的OrderlessChain，实现拜占庭环境下I-confluent应用的安全执行且性能更优。
2023-10-24 cs.DC
Performance Evaluation of the Quorum Blockchain Platform
Quorum是一个基于以太坊代码库构建的许可区块链平台，经过调整使其成为一个许可联盟平台。它是许可分类账领域的关键竞争者之一。Quorum支持智能合约和交易的机密性和隐私性，以及崩溃和拜占庭容错共识算法。在本文中，我们描述了Quorum的性能特点。我们研究了Quorum在不同工作负载和支持的共识算法下的吞吐量和延迟特性。通过一套微基准测试，我们探索了某些交易和智能合约参数如何影响交易延迟。
2018-07-19 cs.CR cs.DC cs.PF
Transaction Fee Mechanism Design for the Ethereum Blockchain: An Economic Analysis of EIP-1559
EIP-1559是一项对以太坊交易费用机制进行几项紧密耦合的补充的提议，包括可变大小的区块和随需求而升降的燃烧基础费用。本报告评估了该提案的博弈论优势和劣势，并探讨了一些替代设计。
2020-12-01 cs.DC cs.DS cs.GT
Efficient Parallel Execution of Blockchain Transactions Leveraging Conflict Specifications
针对区块链交易并行执行中的冲突问题，提出利用冲突规范信息的区块事务内存方法，在EVM和MoveVM上实现最高1.75倍加速，并超越Parallel-EVM达1.33倍。
2025-08-14 cs.DC
FabricCRDT: A Conflict-Free Replicated Datatypes Approach to Permissioned Blockchains
针对Hyperledger Fabric因EOV三阶段事务生命周期导致并发冲突与吞吐量下降的问题，提出FabricCRDT方法，通过集成无冲突复制数据类型（CRDTs）实现冲突事务的合并与解决，显著提升了事务吞吐量并消除了事务失败。
2023-10-24 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
On the Design of Communication and Transaction Anonymity in Blockchain-Based Transactive Microgrids
由于分布式能源使用的增加以及风能和太阳能等可再生能源发电的快速加速，交互式微电网正在成为配电系统运营商所面临问题的变革性解决方案。分布式账本最近在这个领域引起了广泛的兴趣，因为它们能够在分散的计算节点上提供交易完整性。然而，现有技术并没有关注这些能源系统的隐私保护要求-与智能电表数据相比，交易级数据可以提供对生产消费者行为的更深入了解。在交互式微电网中存在特定的安全要求，以确保电网的稳定性并控制负载。为了满足这些要求，配电系统运营商需要来自电网的交易信息，这对隐私目标提出了进一步的挑战。这个问题由于这些网络中对区块链外通信的要求而变得更糟。在本文中，我们扩展了最近开发的交易工作流称为PETra和描述我们的解决方案的通信和交易匿名。
2018-01-30 cs.DC
How to Databasify a Blockchain: the Case of Hyperledger Fabric
在过去的几年里，市场上出现了无数的区块链系统，每一个都声称要以某种方式彻底改变分布式事务处理的方式。许多区块链功能，如拜占庭容错（BFT），在现代环境中确实是有价值的补充。然而，尽管围绕该技术进行了大肆宣传，但区块链系统必须面对的许多挑战都是基本的交易管理问题。这些在很大程度上与已经存在了几十年的传统数据库系统共享。这些相似之处对于系统来说尤其明显，这些系统模糊了区块链系统和经典数据库系统之间的界限。一个很好的例子是Hyperledger Fabric，这是IBM正在开发的一个开源许可区块链系统。通过对BFT的轻松视图，Fabric的事务管道与经典分布式数据库系统的工作流非常相似。这就提出了两个问题：（1）在Fabric这样的系统和经典的分布式数据库系统之间，实际上存在哪些概念上的相似性和差异？(2)是否有可能通过将技术从数据库世界过渡到区块链来提高Fabric的性能，从而进一步模糊这两种系统之间的界限？为了解决这些问题，我们首先从数据库研究的角度来探索Fabric，在那里我们观察到事务管道中的弱点。然后，我们通过将众所周知的数据库概念转换到Fabric来解决这些问题，即事务重新排序以及早期事务中止。我们的实验评估表明，我们的改进版本Fabric++显著提高了成功事务的吞吐量，比普通版本高出3倍。
2018-10-31 cs.DC
SREP: Out-Of-Band Sync of Transaction Pools for Large-Scale Blockchains
交易池（mempools）的同步已经显示出改善最先进区块链的性能和块传播延迟的潜力。事实上，为此目的，文献中已经提出了各种加密技术，所有这些都将未确认交易的交换纳入其块传播协议。在这项工作中，我们采取了一种不同的方法，在块传播通道之外（并且独立地）维护事务同步。在这个过程中，我们正式的同步问题的图论框架内，并介绍了一种新的算法（SREP -集增强传播）与量化的保证。我们分析了各种现实的网络拓扑结构的算法的性能，并表明，它收敛于任何连接的图形在一些步骤，是有界的图形的直径。我们通过广泛的模拟，包括与MempoolSync，最近的方法从文献中比较，证实了我们的分析结果。我们的模拟表明，SREP会产生合理的整体带宽开销，并且与MempoolSync不同，它可以随着网络的大小优雅地扩展。
2023-03-29 cs.DC
A Consensus-Based Load-Balancing Algorithm for Sharded Blockchains
公共区块链是分散的网络，每个参与节点执行相同的决策过程。这种形式的去中心化不能很好地扩展，因为相同的数据存储在每个网络节点上，并且因为所有节点都必须在确认之前验证每个交易。一种解决方案将区块链网络的节点分解为称为“分片”的子集，每个分片并行处理和存储不相交的交易集。为了充分利用分片区块链的并行性，分片的处理负载必须均匀分布。然而，计算平衡工作负载的问题在理论上是困难的，并且在实践中进一步复杂，因为事务处理时间在被分配给分片之前是未知的。在本文中，我们介绍了一种动态工作负载平衡算法，其中根据分片最近的工作负载历史定期调整事务到分片的分配策略。我们的算法是基于共识的负载均衡算法的分片区块链的适应。它是一种完全分布式的算法，与基于网络的应用程序（如区块链）内联。根据对三个知名区块链平台的交易进行分片的模拟，报告了一些初步结果。
2022-06-29 cs.DC
Trail: A Blockchain Architecture for Light Nodes
在比特币和以太坊中，节点需要大量的存储容量来维护所有的区块链数据，如交易、UTXO和账户状态。截至2020年5月，比特币区块链的存储容量已扩大到270 GB，并将继续增加。这种存储需求是成为块提议者或验证者的主要障碍。虽然许多研究试图减少存储大小，在所提出的方法中，节点不能保持所有块或不能生成块。我们提出了一种称为Trail的架构，允许节点将所有块保存在一个小存储中，并生成和验证块和交易。Trail不依赖于共识算法或分叉选择规则。在这种架构中，发出交易的客户端具有证明其自己的余额的数据，并且可以生成包含余额证明的交易。Trail中的节点不存储交易、UTXO和账户余额：它们只保存区块。区块大小约为8 KB，比比特币小100倍。此外，块大小是恒定的，与账户的数量和交易的数量无关。与传统区块链相比，发布交易的客户必须存储额外的数据。然而，我们表明，适当的数据归档可以保持帐户设备存储大小小。Trail允许更多的用户成为区块提议者和验证者，并改善了区块链的去中心化。
2020-07-16 cs.DC
Utilizing Parallelism in Smart Contracts on Decentralized Blockchains by Taming Application-Inherent Conflicts
由于共识协议本身的瓶颈，传统的公共区块链系统通常具有非常有限的交易吞吐量。随着共识技术的最新进展，性能限制已经大大提高，通常达到每秒数千笔交易。这样一来，事务执行就成了一个新的性能瓶颈。利用事务执行中的并行性是解决此问题并进一步提高事务吞吐量的一种明确而直接的方法。尽管最近的一些文献引入了并发控制机制来并行执行智能合约交易，但它们所能实现的加速效果远不理想。主要原因是，所提出的并行执行机制不能有效地处理许多区块链应用程序中固有的冲突。在这项工作中，我们深入研究了以太坊中的历史交易执行痕迹。我们观察到，应用程序固有的冲突是限制可利用的并行执行过程中的主要因素。我们建议使用分区计数器和特殊的交换指令，打破应用程序的冲突链，以最大限度地提高潜在的加速比。当我们评估可实现的最大并行加速比时，这些技术将此限制加倍，与串行执行相比，总体加速比为18倍，从而接近最佳值。我们还提出了OCC-DA，一种具有确定性中止的乐观并发控制调度器，这使得在公共区块链设置中使用OCC调度成为可能。
2022-02-10 cs.DC
BlockSDN-VC: A SDN-Based Virtual Coordinate-Enhanced Transaction Broadcast Framework for High-Performance Blockchains
Peking University（北京大学）；SF Technology（顺丰科技）
BlockSDN-VC通过SDN控制器集中计算坐标和转发控制，实现高性能区块链的快速交易广播，提升吞吐量并降低延迟。
2025-09-30 cs.DC
