MERCURY：高性能区块链系统中的快速事务广播

作者：树图区块链团队

Author：Mingxun Zhou, Liyi Zeng, Yilin Han, Peilun Li, Fan Long, Dong Zhou, Ivan Beschastnikh, Ming Wu

论文摘要原文：Blockchain systems must be secure and offer high performance. These systems rely on transaction broadcast mech-anisms to provide both of these features. Unfortunately, in today’s systems, the broadcast mechanisms are highly inefficient.

We present MERCURY, a new transaction broadcast protocol designed for high performance blockchains. MERCURY shortens the transaction propagation delay using two techniques: a virtual coordinate system and an early outburst strategy. Simulation results show that MERCURY outperforms prior propagation schemes and decreases overall propagation latency by up to 44%. When implemented in Conflux, an open-source high-throughput blockchain system, MERCURY reduces transaction propagation latency by over 50% with less than 5% bandwidth overhead.

论文摘要中文：

区块链系统必须安全并提供高性能。这些系统依赖于事务广播机制来提供这两个功能。不幸的是，在当今的系统中，广播机制是非常低效的。

我们介绍了MERCURY，一种为高性能区块链设计的新交易广播协议。MERCURY使用两种技术缩短事务传播延迟：虚拟坐标系统和早期爆发策略。仿真结果表明，MERCURY优于以前的传播方案，并减少了高达44%的整体传播延迟。当在开源高吞吐量区块链系统Conflux中实现时，MERCURY将事务传播延迟降低了50%以上，带宽开销不到5%。

研究问题、关键问题：本文的研究问题是 如何在区块链系统中实现高效且安全的交易广播，以降低交易传播延迟并提高系统性能

具体而言，研究问题包含以下三个方面：

1.交易传播延迟： 现有的区块链系统交易传播机制效率低下，导致延迟高，限制了系统吞吐量。

2.带宽消耗： 提高传播效率通常需要增加节点间的连接数量，从而增加带宽消耗，这在高吞吐量系统中尤为突出。

3.安全性： 在去中心化的区块链网络中，需要确保交易传播机制能够抵御恶意节点的攻击，保证系统的安全性。

研究动机：

1.区块链系统性能瓶颈： 虽然近年来出现了一些新的区块链设计，将吞吐量提升至数千 TPS，但网络带宽消耗也随之增加，成为新的性能瓶颈。

2.低延迟系统的需求： 一些新兴的区块链系统如 Stellar 和 Avalanche 等追求更低的确认时间，这对交易传播速度提出了更高的要求。

3.现有方案的局限性： 简单增加节点间连接数量会导致交易重复，降低系统吞吐量。因此，需要设计新的交易传播协议，在降低延迟的同时，避免浪费带宽。

研究意义：

1. 提升区块链系统性能： 通过优化交易传播协议，降低交易传播延迟，从而提高区块链系统的吞吐量和确认速度，使其能够更好地满足实际应用的需求
2. 降低网络带宽消耗： 通过高效的路由策略，避免不必要的交易重复传播，降低网络带宽消耗，使其能够在有限的网络资源下更好地运行。
3. 提高安全性： 论文中提出的 MERCURY 协议具有抗攻击性，即使在部分节点被恶意控制的情况下，仍然能够保证交易的正常传播。

研究内容（算法、方法、技术、模型）：

1. 虚拟坐标系统 (VCS)：

Vivaldi 协议： 论文采用 Vivaldi 协议构建 VCS，该协议通过节点间互相测量网络延迟，并利用弹簧模型进行坐标更新，最终使节点在虚拟空间中的位置与实际网络延迟相对应。

安全性增强： 论文对 Vivaldi 协议进行了安全增强，包括稳定性限制、力限制、质心和引力等，以防止恶意节点攻击 VCS。

稳定性限制： 当节点的预测误差低于一定阈值时，其坐标移动距离将受到限制，防止恶意节点进行坐标操纵。

力限制： 忽略超过一定阈值的力，防止恶意节点通过过大的力影响其他节点的坐标。

质心和引力： 当系统质心偏离原点时，系统会对偏离质心的节点施加引力，将其拉回原点，防止恶意节点进行质心操纵。

• 基于 VCS 的传播方案：

节点聚类： 利用 K-means 算法将节点根据其 VCS 坐标进行聚类，形成多个集群。

传播策略： 节点在传播交易时，将交易优先传播给同一集群内的邻居节点，以及随机选择的其他集群中的节点。

安全性考虑： 为了防止恶意节点进行分割攻击，节点会随机选择部分集群外节点进行传播。

• 早期爆发策略：

传播树： 将交易传播过程抽象为传播树，节点在传播树中的位置取决于其接收交易的时间顺序。

早期爆发： 在传播初期，节点选择更多的邻居节点进行传播，降低传播树的高度，从而降低平均延迟。

安全性考虑： 为了防止恶意节点利用早期爆发策略进行攻击，节点会检查交易的有效性和唯一性，并监控网络流量。

• 安全性机制：

回退机制： 当 VCS 的准确性低于一定阈值时，节点将回退到基本的随机传播策略。

有效性检查： 节点在传播交易前会检查其有效性，防止恶意节点传播无效交易。

流量监控： 节点会监控其网络流量，并限制恶意节点的流量。

主要贡献

1. 我们为区块链P2P网络设计了一种基于VCS的安全广播策略，可以在不浪费带宽的情况下改善延迟。
2. 我们提出了一个简单而有效的优化称为早期爆发。
3. 我们将我们的建议整合到MERCURY的端到端实现中，并在模拟和Conflux高吞吐量区块链系统中对其进行评估。

创新点、创新性：

MERCURY 是一种基于虚拟坐标系统 (VCS) 和早期爆发策略的交易广播协议，旨在提高高性能区块链系统的交易传播效率。通过将节点嵌入到度量空间中并根据距离进行广播，MERCURY 能够有效地减少延迟和带宽消耗，同时具备抵御恶意攻击的能力。

技术难点：

1. 安全增强的 VCS: 论文作者将 Vivaldi VCS 与 Newton 安全规则相结合，并引入了新的稳定性规则和力限制规则，从而有效地提高了 VCS 的安全性。GPU 强度的计算，以及如何高效地计算 GPU 强度。
2. 早期爆发策略的配置: 论文作者通过实验确定了 MERCURY 的最佳配置参数，例如聚类数量、内部集群节点数和早期爆发广播范围等。
3. 真实环境中的实现和评估: 论文作者将 MERCURY 集成到 Conflux 高吞吐量区块链系统中，并在真实环境中对其进行了评估，验证了其有效性和安全性。

进一步研究思路 (Future Work)：

1. 更复杂的攻击模型： 论文主要考虑了恶意节点对 VCS 和聚类机制的攻击，可以考虑更复杂的攻击模型，例如拜占庭攻击、女巫攻击等，并研究 MERCURY 在这些攻击下的鲁棒性。
2. 动态网络拓扑下的性能分析： 论文假设网络拓扑是静态的，可以考虑动态网络拓扑下的性能分析，例如节点加入和退出网络的情况，并研究 MERCURY 在动态网络环境下的适应性。

个人总结：

高性能的区块链系统需要高效和安全的交易广播。MERCURY结合了两个新颖的想法-使用虚拟坐标系来组织传播结构和使用早期爆发策略-以减少事务传播的延迟。其实验表明，MERCURY对攻击具有鲁棒性，并在真实的高吞吐量区块链系统中将交易传播延迟提高了56%，同时引入了不到5%的带宽开销。作者在https://github.com/wuwuz/P2PNetwork上提供了对他们代码的公开访问。