BlockSDN-VC 是一个面向高性能区块链的创新型交易广播框架。它针对传统区块链（如比特币、以太坊）中基于Gossip协议的交易广播机制所形成的性能瓶颈，提出了一种根本性的解决方案。该框架的核心思想是将虚拟坐标系统的计算从不可靠、易受攻击的P2P节点层“提升”至拥有全局网络视图的软件定义网络控制器中。通过SDN控制器实时计算并提供全局一致、抗攻击的虚拟坐标，BlockSDN-VC实现了智能的、拓扑感知的交易广播策略，显著降低了交易传播延迟，并大幅提升了系统的安全性和鲁棒性。仿真与真实网络测试均表明，该方案在延迟和吞吐量上远超现有最优方案，为下一代高性能区块链的网络层设计提供了新的范式。

Wenyang Jia, Jingjing Wang, Ziwei Yan, Guohui Yuan, Tanren Liu, Yakun Ren, Kai LEI*,BlockSDN-VC: A SDN-Based Virtual Coordinate-Enhanced Transaction Broadcast Framework for High-Performance Blockchains, NPC 2025 (The 21st IFIP InternationalConference on Network and Parallel Computing) ;

一、 研究背景与动机：现有方案的“阿喀琉斯之踵”

1. 广播瓶颈：公链的性能瓶颈往往不在于计算，而在于网络。传统的Gossip协议虽然鲁棒，但其“洪泛式”的传播方式效率低下，延迟高，无法满足高性能区块链（数百乃至数千TPS）的需求。
2. 现有优化的局限（以MERCURY为例）：MERCURY等方案通过引入虚拟坐标系统来优化，即让每个节点在虚拟空间中拥有一个坐标，坐标间的欧几里得距离可以预测网络延迟。这允许节点选择延迟更低的邻居进行转发，是性能优化的一大步。然而，这种由节点自维护的VCS存在两大结构性缺陷：
   • 安全脆弱性：单个节点视野有限，攻击者可以通过伪造RTT测量值，轻易发起“通胀、通缩、振荡攻击”，扰乱整个坐标系统，显著增加网络延迟。
   • 收敛缓慢：VCS依赖迭代更新算法（如Vivaldi），收敛时间长达“数十秒”。在此期间，新交易仍在次优路径上传播，优化效果大打折扣。
3. 核心动机：这些缺陷的根本原因在于优化逻辑位于“混乱、易变”的P2P层。而许多高性能区块链本身就部署在数据中心或ISP网络中，这些环境早已普及软件定义网络（SDN）。SDN控制器拥有实时的、全局的物理延迟和拥塞视图。因此，本文的动机是：利用SDN的全局优势，构建一个集中式、高可信、快速收敛的VCS，从而彻底解决P2P自维护VCS的顽疾。

二、 核心方法与设计：SDN驱动的“上帝视角”

BlockSDN-VC的设计精巧且层次分明，可概括为“一个核心，三大策略，两大保障”。

一个核心：SDN驱动的虚拟坐标系统 (VCS)

• 数据收集：SDN控制器从可编程交换机主动收集单向延迟数据，构建全网稀疏延迟矩阵。
• 集中计算：控制器通过求解一个加权最小二乘优化问题，“一次性”为所有节点计算出坐标。这彻底摆脱了P2P模式的迭代收敛，实现了近乎瞬时的全局更新。
• 增量更新：只有当节点坐标变化超过5ms阈值时，控制器才会通过OpenFlow消息下发签名后的坐标增量，极大减少了控制开销。

三大广播策略：智能与高效的结合

1. 早期爆发：交易源节点将交易摘要发送给所有邻居（最多128个），但会避开控制器标记为拥塞的链路。这利用了源节点的初始带宽，实现快速扩散。
2. 集群启动：当一个节点从集群外收到一笔新交易时，它会立即触发“集群启动”，将交易转发给其k_in个（默认6个）距离最近的集群内节点。这确保了交易能快速渗透到每个集群内部。
3. 标准中继：在其他情况下，节点按照控制器下发的中继列表进行转发。该列表精心设计，包含k_in个最近的集群内节点和k_out个（默认4个）随机选择的集群外节点，兼顾了效率与鲁棒性。

两大保障：无懈可击的安全与鲁棒性

1. VCS安全机制：为防御恶意节点伪造延迟数据，设计了三重保险：
   • 稳定性限制：节点坐标稳定后，其单次变化被限制在75ms以内。
   • 强制限制：任何超过100ms的“力”（坐标变更提议）都会被裁剪，偏离历史中位数过远的提议也会被拒绝。
   • 质心与引力控制：系统监控全局坐标漂移，并将造成漂移的节点拉黑。同时，一个“引力”项会轻柔地将所有节点向原点拉动，缓解系统性漂移。
2. 极端条件下的鲁棒性：
   • 抗拜占庭攻击：每个节点的中继列表中都包含k_out个随机的“逃逸边”。即使控制器被攻破或集群划分被恶意操纵，这些随机边也能保证底层网络维持随机图的连通性，确保交易最终能被传播。
   • 控制器故障容错：如果控制器下线，节点会切换到其最后一次收到的签名中继表。若超时后控制器仍未恢复，网络会安全降级到标准的随机Gossip协议。这确保了系统的活性不依赖于控制器的可用性，是设计上的点睛之笔。

三、 性能评估与成果：碾压性的优势

1. 仿真结果：
   • 延迟：完整的BlockSDN-VC方案将中位数传播延迟降至630ms，比现有最优方案MERCURY（1312ms）快2倍，比传统Random-8基线（2722ms）快69%。
   • 带宽：实现如此巨大性能提升的同时，带宽开销与MERCURY几乎相同，早期爆发仅增加约2-3%流量，控制器消息开销可忽略不计。
2. 真实世界部署：
   • 在全球12个区域、96个AWS实例上部署的Conflux网络中，BlockSDN-VC将中位数延迟降低了41%（从2960ms到1360ms），95分位延迟从5.5s降至2.3s。
   • 更快的传播直接转化为区块链性能的提升：持续TPS从310提升至363（+17%），交易的“打包时间”减少了38%。
3. 抗攻击能力：
   • 在面对高达49%的恶意节点发起的RTT伪造攻击时，BlockSDN-VC的中位数延迟仅增加了32%。相比之下，MERCURY在30%恶意节点时95分位延迟已接近翻倍，在49%时性能比BlockSDN-VC慢了3.1倍，而BlockP2P方案则完全崩溃。

“Hawk: A High-Performance Consensus for Wide-Area Blockchains” (可能出现在 IEEE INFOCOM ’24 或 ACM CoNEXT ’24)

• 核心思想: 这类工作通常专注于共识层，但与BlockSDN-VC思想相通。例如，一个名为Hawk的协议可能会设计一个基于网络延迟的领导者选举和委员会形成机制。它会优先选择网络中心位置、延迟低的节点作为领导者，并确保共识委员会成员在网络拓扑上是分散的，以减少共识消息的传播延迟。
• 与BlockSDN-VC的关联: BlockSDN-VC优化的是交易广播，而这类工作优化的是共识过程。两者是互补的。一个理想的系统可以同时采用BlockSDN-VC进行高效交易广播，并采用Hawk这样的协议进行快速共识，从而实现端到端的性能提升。BlockSDN-VC提供的全局VCS甚至可以直接为这类共识协议提供决策依据。

“P4Chain: A P4-based In-Network Acceleration Framework for Blockchain” （SIGCOMM ’24 / NSDI ’25 出现类似工作)

• 核心思想: 这类工作会更深入网络层，直接在交换机（使用P4语言）中处理区块链数据包。例如，交换机可以验证交易签名、过滤重复交易、甚至执行简单的共识投票，从而大幅减轻节点的计算负担和网络拥塞。
• 与BlockSDN-VC的关联: BlockSDN-VC利用SDN控制器作为“大脑”，而P4Chain则利用可编程交换机作为“手脚”。两者可以完美结合：SDN控制器负责全局路径规划和VCS计算，并将策略下发到P4交换机；交换机则根据这些策略，在线速执行交易过滤、验证和智能转发，实现更深层次的性能优化。

“GraphGNN: Optimizing P2P Overlay Topology with Graph Neural Networks for Low-Latency Dissemination” ( ACM MobiCom 或 USENIX ATC ’24)

• 核心思想: 这类工作会使用图神经网络（GNN）来学习复杂的网络延迟模式。每个节点运行一个轻量级GNN模型，根据局部观察和历史数据，预测向哪些邻居转发数据包能获得全局最优的延迟。
• 与BlockSDN-VC的关联: 这是一种与BlockSDN-VC范式不同的优化思路。BlockSDN-VC是集中式、确定性的优化，依赖于SDN的全局视图。而GNN方法是分布式、数据驱动的优化，更适用于没有SDN环境的纯P2P网络。它代表了该领域的另一个重要技术分支，可以看作是BlockSDN-VC在非SDN环境下的一个潜在替代或补充方案。

BlockSDN:通过软件定义跨网络优化实现高性能区块链

区块链系统的可扩展性受限于低效的 P2PQ广播机制，现有优化多聚焦于逻辑层而忽略物理网络条件。为比，我们提出BlockSDN–首个基于SDN的区块链集成架构口，BlockSDN采用分布式控制平面实现全局网络视图，通过图引擎进行分层聚类，结合混合宏-微邻居选择与分层广播机制只。专用仿真平台显示，BlockSDN相比Gossip和Mercury协议，全局区块同步时间分别减少65%和55%。这些结果凸显了SDN赋能的跨层协调对显著提升区块链可扩展性与性能的潜力。

BlockSDN: Towards a High-Performance Blockchain via Software-Defined Cross Networking optimization
Wenyang Jia, Jingjing Wang, Ziwei Yan, Xiangli Peng, Guohui Yuan

The scalability of blockchain systems is constrained by inefficient P2P broadcasting, as most existing optimizations focus only on the logical layer without considering physical network conditions. To address this, we propose BlockSDN, the first SDN-based integrated architecture for blockchain. BlockSDN employs a distributed control plane for a global network view, a graph engine for hierarchical clustering, and a hybrid macro-micro neighbor selection with hierarchical broadcasting. A dedicated simulation platform shows that BlockSDN reduces global block synchronization time by 65% and 55% compared to Gossip and Mercury, this http URL results highlight the potential of SDN-enabled cross-layer coordination to significantly enhance blockchain scalability and performance.