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区块链底层 Layer1扩容方案是什么?

小易2022-04-27 14:43:35okx官网介绍144

什么是分片(Sharding)


 


 


分片技术并不是什么创新的概念,早在区块链技术出现之前,就已经在传统数据库中运作了,主要用于大型商业数据库的优化。


 


 


其概念就是将数据库中的数据,切割成很多数据分片,再将这些分片分配到不同的伺服器中储存,如此一来,就不会因为短时间内出现大量数据访问请求,而出现单一伺服器压力过大的问题。


 


 


在传统的区块链网络中,交易必须有网络中的每个节点进行确认,以保证交易的安全,然而这也是导致交易速度难以提升的主因之一。


 


 


分片技术-pow


 


 


而把分片技术运用到区块链网络中的方式,是将区块链网络划分成若干个子网络(或称分片,shard),每一个子网络都会包含一部分节点,网络中的资料储存与交易,会被随机分配到各个分片中做处理。


 


 


如此一来,每个节点只需要处理一小部份的工作,且不同分片上的交易可以并行处理,网络的交易速度便能因此获得提升。


 


 


分片技术-分片


 


 


另外,传统的区块链大部分都是单链结构,所有矿工都会相互竞争取下一个区块的计帐权。


 


 


且大部分区块链产生区块的平均时间是固定的,例如比特币平均每10分钟产生一个区块。


 


 


即便有越来越多的矿工加入挖矿行列,区块链也会自动提升挖矿难度,以确保区块产生速度固定在每10分钟产生一个区块。


 


 


简单来说,区块链网络中算力的提升没办法增加交易速度,这也就是为什麽区块链会是不可扩展。


 


 


如果要用简单一点的例子来形容的话,就好比你把汽车改车V8大马力引擎,但汽车电脑却设置了速度限制,不能开超过60。


 


 


在分片技术中,区块链算力的提升,意味著分片数量的提升。


 


 


也就是说网络中所投入的算力越多,能够同时并行处理的交易也会越多,整个网络的交易速度也会线性提升。


 


 


运用在区块链上的分片技术,又能够分为三种:


 


 


网络分片(network sharding)、交易分片(transaction sharding)、状态分片(state sharding)。


 


 


网络分片(network sharding)


 


 


由于区块链的区块与区块之间具有强连结性,也就是说,每一次的区块新增,都需要矿工互相通信确认新区块的有效性。


 


 


虽然这能确保链上交易纪录的正确性,却也导致区块链结构上存在不可扩展性的缺点。


 


 


因此,分片的第一步,需要先将区块链网络分片,再尽量降低互相通信的前提下,由各个分片处理链上交易。


 


 


说的简单一点就是将矿工随机分组,再将工作分配给各组矿工独立验证。


 


 


网络分片涉及到的问题是,分片后如何确保链上交易安全性能够维持。


 


 


随机分配


 


 


矿工分组之后,网络分片第一个会面临到的问题是,攻击者的攻击成本会大幅降低。


 


 


下方这张图说明的是,本来假设有100个矿工,要掌握51个才能瘫痪网络,自从有分片后,假设是100个分片,矿工一人顾一个分片下,就变成我只要有全网1%的攻击力,就有机会瘫痪某一个甚至两个分片,而这1%在原本的PoW下,根本起不了作用。


 


 


要防范攻击者最好的做法,就是建立随机性。


 


 


区块链底层Layer1扩容方案


 


 


在区块链领域建立随机性的方式主要是利用可验证随机函数(VRF,Verifiable Random Function),利用此演算法,网络可以随机抽取节点分组形成分片。


 


 


这样一种随机抽样的方式可以防止恶意节点控制单个分片。


 


 


分片的共识机制


 


 


解决了矿工分组的问题后,所要面临的问题是分组后的矿工,验证过程如何达成共识。


 


 


达成共识的算法可以选择我们熟知的PoW、PoS、PBFT等共识机制。


 


 


简单来说,网络分片就是矿工的挖矿规则,为了在分片的同时不失去去中心化特性,开发者需要尽可能地在安全与效率取得良好的平衡。


 


 


例如,网络中分片的数量与每个分片中节点的数量等问题,都需要谨慎考虑。


 


 


交易分片(transaction sharding)


 


 


网络分片针对的是矿工的游戏规则,而交易分片所针对的是哪些交易要被分配到哪些分片,然而,区块链的帐本模型的不同会对交易分片的开发造成影响。


 


 


UTXO帐本模型


 


 


UTXO的帐本系统,例如比特币,交易纪录是由多个input和多个output构成,没有帐户的概念,也不会有馀额的纪录,我们没有办法按照地址进行交易分片来有效地避免双花问题。


 


 


UTXO较直观的交易分片方式是按照交易hash值的最后几位进行分片。


 


 


例如,“如果哈希值的最后一个值是0的话,那麽交易将被分配给分片1,否则它被分配给分片2(假设只有两个分片)。”


 


 


然而,我们说过,UTXO的交易是由input和output构成,假设A发起了一笔交易,该交易的哈希值的最后一个值是0,被分配到第一个分片验证。


 


 


此时,A又发起一笔input相同但output不同(发给不同人)的交易,该笔交易被分配到第二个分片,如果不採取任何措施,这两笔交易将因为同时在两个分片当中进行处理和验证,而导致双花攻击。


 


 


在UTXO帐本系统的交易分片中,解决双花攻击的办法是分片1和分片2相互通信,以确保同一笔钱没有被重复花费。


 


 


但是在实际过程中,分片数量众多且交易的hash值是随机的,交易会被随机分配到各个分片,这就表示每个分片之间都必须相互沟通。


 


 


很明显,这方法行不通,因为如果这么做,就代表分片无法独立验证,分片就没有意义了,因此UTXO先天上就较难以实现分片。


 


 


Account帐本模型


 


 


由于UTXO帐本模型较难实现交易分片,因此,大多数采用分片技术的区块链,都是像以太坊一样的Account帐户帐本系统。


 


 


有了帐户,每一笔交易将会包含发送者的地址与余额。


 


 


因此我们只需要将交易按照发送者的地址进行分片,即可保证同一个帐户发出的多笔交易将被在同一个分片当中被处理,这样该分片即可有效的检测双花交易。


 


 


不过一但涉及到跨分片交易,例如:分片1的帐户要与分片10的帐户进行交易,势必需要跨分片的沟通来验证交易的有效性。


 


 


但与UTXO相比,至少不需要跟所有的分片沟通,只需要分片1与分片10沟通即可。


 


 


状态分片(state sharding)


 


 


状态分片可以简单理解为,在区块链资料分配在在不同分片中储存。


 


 


其所涉及的是链上资料的分片,也就是链上资料与交易纪录分片储存,借此减少节点的存储负担。


 


 


与其他两个分片机制相比,状态分片是最棘手的难题。


 


 


目前的状态分片有以下三个问题需要解决。


 


 


1)跨分片交易通讯的效益平衡


 


 


过去区块链的状态,例如帐户馀额状态储存在全网中,由全网节点共同更新维护。


 


 


但是在分片机制下,交易会根据地址分配在不同的分片处理,也就是说,状态只会储存在其地址所在的分片中,此时要面临的一个问题是,交易不会只在一个分片中进行,时常会涉及到跨分片交易。


 


 


因此若交易双方帐户被分配在不同分片,分片与分片之间势必要进行沟通才能够确保交易的有效性,频繁的跨分片互动,很容易导致整体网络效率下降。


 


 


例如:


 


 


A的地址分配在分片1,交易的纪录也会储存在分片1。


 


 


B的地址分配在分片2,交易的纪录就会储存在分片2。


 


 


一但A要打币给B,就会形成跨分片交易,分片2就会向分片1调用过去的交易纪录,确认交易的有效性,A频繁的打币给B,分片2就必须不断跟分片1互动,交易的处理效率便会因此降低。


 


 


2)分片动态刷新和节点状态更新之间的平衡


 


 


区块链的节点会随着时间而增加,且节点若长时间未重新分配,会导致交易状态过度集中化,降低遭受攻击时的弹性。


 


 


因此网络每隔一段时间需要重新调整网络节点,也就是所谓的动态分片,而新进节点也会借此更新与同步其所在分片的状态。


 


 


然而每一次的节点调整,都必须在该分片完成网络同步后,才能开始处理交易,这会造成部分延迟问题,因此设计时必须掌握好节点调整的数量与时间,否则很可能会造成分片瘫痪。


 


 


3)全网数据备份与中心化风险之间的平衡


 


 


还有一个问题是,若某些特定的分片遭到了攻击而导致其验证失去有效性。由于分片并没有複制系统的全部状态,所以网络也无法验证那些依赖于该分片的交易。


 


 


解决此问题的方法是维护存档或进行节点备份,这样就能帮助系统进行故障修复以及恢复那些不可用的数据。


 


 


但是,这样就代表系统的状态只会储存在少数节点,这会引发一些中心化的风险。


 


 


链金研究员总结


 


 


虽然分片技术与其他解决方案相比,较复杂也较难实现,但分片技术依然是目前备受期待的Layer1扩容方案。


 


 


知名的分片项目Zilliqa主网在2019年1月31日正式上线了,过去在测试网上都有相当不错的表现,实际的效能还有待确认。


 


 


而我们所熟悉的以太坊,也将会慢慢开始进化,从以太坊1.0进化到以太坊2.0,除了会将共识机制从PoW改成PoS外,还会加入Beacon Chain让分片技术得以在以太坊上实现。


 


 


分片技术的发展,或许将成为区块链迈向落地应用的一项重要决定性因素。


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