学位论文简介

本文针对区块链的层次结构进行深入分析，探讨现有架构中的计算和存储瓶颈，并给出有效的解决方案。主要工作内容和创新点如下：

针对事务执行低效，提出了软硬件协同优化的高并发事务处理框架。在算法层面，本文提出了一种时空感知的事务调度算法。将事务执行和事务调度解耦合，异步动态执行事务以最大化空间上的并行效益。冗余事务将被依次在同一核心上处理，在时间维度上提供了减少冗余的机会。为了更好地支持上层的算法设计，在硬件层面，本文设计了一个多事务处理单元。事务并行的同时，通过细粒度的数据和指令重用完成去冗余优化。实验表明，对比现有方案可实现3.53至16.19的加速比。

针对数据访问耗时，提出了面向I/O 密集型事务的高效缓存策略。本文在字节码层面，采用低开销的指令回溯和访问表来挖掘访存规律，实现高精度的数据预取。针对写操作，通过在缓存中高效构建状态森林快速完成一致性检查，而实际写回磁盘的开销被共识时间隐藏。实验表明，这种状态缓存机制大大减少了事务执行过程中的I/O开销，实现了1.57-3.13倍的吞吐率提升。

针对存储开销高昂，提出了基于分布式拍卖的区块链存储资源分配方案。本文通过智能合约在去中心化环境中实现拍卖流程的自动化，拍卖算法权衡了节点的数据偏好与系统公平性，从而选定一组最优节点存储完整区块。为促进节点间的诚信合作与数据维护积极性，结合智能合约设计了奖惩机制，诚实节点将从数据交易中获得经济激励。基于公平的拍卖和交易机制，减少节点存储开销的同时，没有引入额外的安全假设和数据丢失的风险。实验表明，与全复制存储相比，存储开销减少了65%-81%。

主要学术成果

[1] Rui Pan, Chubo Liu, Guoqing Xiao, Mingxing Duan, Keqin Li, and Kenli Li. An Algorithm and Architecture Co-design for Accelerating Smart Contracts in Blockchain[C]//Proceedings of the 50th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA). 2023: 1-13. （第一作者，CCF A类会议）

[2] Rui Pan, Yikun Hu, Chubo Liu, Keqin Li, Kenli Li. Auction-based Storage Resource Allocation for Blockchain[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2023. （第一作者，SCI 1区）