RapidChain: Scaling Blockchain via Full Sharding

1. Background

基于分片的区块链协议缓解了传统区块链协议中的节点规模问题、延迟问题和低吞吐问题。但是目前基于分片的区块链协议，每笔交易仍需要与参与者数量呈线性的交互量，这降低了吞吐量并且增加了延迟。除此之外，这些协议或者是有较高的失败可能，或者是有较强的假设，无法很好地应用。为了解决这些问题，文章提出了RapidChain协议。

2. Main Contributions

l Sublinear Communication。每笔交易只需要次线性(o(n))的交互。
l Higher Resiliency。可以允许存在不超过三分之一的欺骗节点。（之前其他文章的工作最多允许四分之一）
l Rapid Committee Consensus。降低了3-10倍的通信开销和延迟。
l Secure Reconfiguration。
l Fast Cross-Shard Verification。每个节点只需存区块链的部分信息，通过log 的时间和空间进行路由。
l Decentralized Bootstrapping。不需要设定公共的创世块。（can bootstrap itself with only O(n√n) messages without assuming any initial randomness）

3. RapidChain Protocol

1) Decentralized Bootstrapping

初始参与者集合通过选举协议选出root group. The group is responsible for generating and distributing a sequence of random bits that are used to establish a reference committee. Then, the reference committee creates other committees.
构成election network的方法：

a) 构造sampler graph，如Level 0和level 1所示，构成一个随机二分图，一部分是nodes，一部分是groups。
b) Subgroup election。所有节点进行计算，每个group内哈希值最小的选为subgroup成员。
c) Subgroup Peer Discovery。被选中节点发送消息告知全部节点。
d) Committee Formation。重复上述过程直到选出root group。

2) Consensus in Committees

a) 把大消息拆分成与可靠节点数量m相等的chunks，然后通过erasure code scheme创造出与欺骗节点数量n相等的chunks。节点收到任何m个chunks即可拼出完整的消息。每个节点通过Merkle tree来验证消息的完整性。
b) 共识过程分成四步：首先leader发出消息；其余节点收到消息并广播；如果有可靠节点收到多个版本的block headers，说明leader是欺骗节点，并且拒绝这个消息并向外广播；最后如果可靠节点收到足够数量的对同一header的广播，则接受这个消息。
c) 上述四步操作可以通过流水线方法进行加速。

3) Cross-Shard Transactions

通过交易中不同的committee ID拆分交易，每个committee只保存输出值的ID前缀是自己的committee ID的交易。

4) Inter-Committee Routing

每个committee的路由表中保存log n条记录，根据编号进行路由。

5) Committee Reconfiguration

利用Cuckoo rule，当新节点加入时，保证所有的committee保持欺骗节点数量不超过1/2，并且不对所有的committee进行重组。

新节点加入后，不需要对全部历史交易进行验证，只需要下载仍有效交易的集合，保证能够验证未来交易即可。因为区块链是通过投票决定的，而不是最长链原则。