如何在不犧牲安全的情況下實(shí)現(xiàn)分片擴(kuò)展

對于區(qū)塊鏈來說，去中心化的本質(zhì)是要達(dá)成安全。因此，去中心化是其根本屬性，是不能被妥協(xié)的一個(gè)屬性。那么，如何在不犧牲安全的情況下實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展？目前來看，分片是一條少有的能夠兼顧安全和擴(kuò)展性的道路。

當(dāng)你將一個(gè)大型數(shù)據(jù)庫劃分為許多更小、更快且更易于管理的部分時(shí)， 它在外行術(shù)語中被稱為 “分片”。這只是意味著你有一個(gè)大數(shù)據(jù)庫， 你分解成許多小型的數(shù)據(jù)庫， 可以在許多服務(wù)器上擴(kuò)散。

關(guān)于區(qū)塊鏈驗(yàn)證機(jī)制的實(shí)現(xiàn)問題，人們有些過度擔(dān)心了。通過分片， 驗(yàn)證過程只會得到加強(qiáng)。通過這一過程， 只有相當(dāng)小的一組節(jié)點(diǎn)（又名分片，而不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)） 將對每個(gè)交易進(jìn)行驗(yàn)證。

在區(qū)塊鏈的情況下， 場景并沒有那么復(fù)雜。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)在邏輯上被劃分為多個(gè)較小的節(jié)點(diǎn)或分片。當(dāng)用戶創(chuàng)建交易時(shí)， 分片的驗(yàn)證將由分片組中的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。然而，有些比普通的分片更聰明更有潛力的東西， 它的名字叫自適應(yīng)狀態(tài)分片。

使用自適應(yīng)狀態(tài)分片技術(shù)，每個(gè)分片每秒能夠進(jìn)行3750筆以上的交易，如Elrond。（藍(lán)狐筆記注：Harmony也是采用了自適應(yīng)狀態(tài)分片技術(shù)，具體參考《Harmony區(qū)塊鏈的分片擴(kuò)展之路》）

為什么叫自適應(yīng)？

當(dāng)吞吐量增加時(shí)， 新的分片會自行激活， 這都得益于其自適應(yīng)特性， 在區(qū)塊鏈中實(shí)現(xiàn)線性的可伸縮性。

該網(wǎng)絡(luò)已開發(fā)近兩年。與此同時(shí)， 人們對區(qū)塊鏈的興趣也在增加， 因此投入的資源也在增加;因此， 在現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施上， 特別是以太坊已經(jīng)有了令人難以置信的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的第三個(gè)支柱是互操作性。

其區(qū)塊鏈服從以太虛擬機(jī)（EVM）。由于以太坊一直是許多獨(dú)立區(qū)塊鏈開發(fā)人員的基礎(chǔ)， 因此對于試圖尋求擴(kuò)展性的已有項(xiàng)目來說，該網(wǎng)絡(luò)將是最具吸引力的解決方案。為了進(jìn)一步簡化項(xiàng)目利用以太坊網(wǎng)絡(luò)的流程， Elrond 區(qū)塊鏈提供了與以太坊ERC-20 代幣標(biāo)準(zhǔn)的反向兼容性。（藍(lán)狐筆記注：反向兼容是說向下兼容，向后兼容，新的可以兼容舊的。）

該網(wǎng)絡(luò)在真正去中心化的網(wǎng)絡(luò)中提供可擴(kuò)展性、安全性和互操作性。該項(xiàng)目的測試網(wǎng)絡(luò)將很快上線， 開發(fā)者將有一個(gè)早期的構(gòu)建機(jī)會， 可以說， 在迄今為止先進(jìn)的區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上更上一層樓。

下面是對該區(qū)塊鏈的多層構(gòu)成進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

加密層

任何區(qū)塊鏈的最底層基礎(chǔ)都是加密層。這本質(zhì)上是區(qū)塊鏈的DNA， 因?yàn)檫@一層是交易和區(qū)塊驗(yàn)證條件的設(shè)計(jì)層。

該網(wǎng)絡(luò)利用Schnorr 方案進(jìn)行交易簽名和驗(yàn)證;使用 Schnorr 簽名占用的數(shù)據(jù)空間更小。Schnorr 方案不僅簡單高效， 還采用了經(jīng)過充分研究和久經(jīng)實(shí)戰(zhàn)的算法。這種創(chuàng)建數(shù)字簽名的方法已經(jīng)存在于各種加密貨幣中，也有人建議將其集成到比特幣網(wǎng)絡(luò)中。

由于區(qū)塊驗(yàn)證需要來自多個(gè)驗(yàn)證者的聚合簽名， 因此需要多重簽名方案。這樣，該網(wǎng)絡(luò)將使用Boneh-lynn-shacham （BLS） 多重簽名方案進(jìn)行區(qū)塊簽名和驗(yàn)證。

核心和執(zhí)行層

在區(qū)塊鏈中， 區(qū)塊、交易和帳戶都以數(shù)據(jù)的形式存在;所有這些數(shù)據(jù)都集中在區(qū)塊鏈的核心中。網(wǎng)絡(luò)核心中的數(shù)據(jù)模型可以實(shí)現(xiàn)臨時(shí)或永久存儲。

交易和地址以數(shù)據(jù)的形式存在; 通過將數(shù)據(jù)模型與接入點(diǎn)分離， 核心先緩沖（Buffer）交易， 然后才能將它們打包進(jìn)區(qū)塊。

這一層的執(zhí)行方面是確保一旦數(shù)據(jù)輸入得到驗(yàn)證， 區(qū)塊鏈就會寫入交易。執(zhí)行層處理交易， 然后將它們打包進(jìn)區(qū)塊;然后在所有節(jié)點(diǎn)上維護(hù)執(zhí)行的交易和區(qū)塊， 以確保一致性。因此， 執(zhí)行層還在所有分片上并行維持節(jié)點(diǎn)同步;分片之間的同步是在元鏈（Metachain）上完成的。

通信層

該網(wǎng)絡(luò)是去中心化的協(xié)議， 因此節(jié)點(diǎn)之間的有效通信至關(guān)重要。通信層的目的是用于消息傳遞和廣播， 也是用于通信的通道。

出于安全目的， 網(wǎng)絡(luò)從各種分片中隨機(jī)重組節(jié)點(diǎn)。此外， 所有節(jié)點(diǎn)都必須在交易吞吐量上保持同步。網(wǎng)絡(luò)必須能夠在分片的節(jié)點(diǎn)內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)中的所有分片內(nèi)中繼通信， 通信層可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。使用分片內(nèi)和跨分片通信通道還可確保網(wǎng)絡(luò)正確處理復(fù)合交易。

簡單地說， 當(dāng)核心層和執(zhí)行層處理數(shù)據(jù)和傳輸時(shí)， 在其處理完成后，通信層提供數(shù)據(jù)移動(dòng)通道。

通信層確保節(jié)點(diǎn)連接， 中繼網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)的來回傳輸， 為信息請求的提供通道， 并處理在單個(gè)分片節(jié)點(diǎn)和跨網(wǎng)絡(luò)中所有分片的區(qū)塊、交易和收據(jù)的廣播。通信基于來自IPFS中經(jīng)高度優(yōu)化的libp2p。網(wǎng)絡(luò)分片可確保通信僅限于其在需要的地方使用。具體來說， 分片內(nèi)通信僅發(fā)生在感興趣的節(jié)點(diǎn)之間。這就實(shí)現(xiàn)鏈之間的互操作性， 而不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)流瓶頸。

共識層

區(qū)塊鏈能夠通過維持共識， 作為安全和去中心化的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作。這是任何具有魯棒性的區(qū)塊鏈的基本屬性。在核心層和執(zhí)行層處理了網(wǎng)絡(luò)功能并將其中繼到分片后， 共識層充當(dāng)一種這樣的機(jī)制， 它可以確保吞吐量僅驗(yàn)證誠實(shí)數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)的安全權(quán)益證明（SPOS）共識算法基于實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（pBFT）。拜占庭錯(cuò)誤是去中心化網(wǎng)絡(luò)上的錯(cuò)誤或不誠實(shí)的數(shù)據(jù)。顧名思義， pBFT 的存在是為了確保共識層能夠承受上述的錯(cuò)誤。pBFT 共識假定網(wǎng)絡(luò)中不超過1/3的節(jié)點(diǎn)是惡意的。因此， 在 Elrond 網(wǎng)絡(luò)中， 只有當(dāng)2/3 + 1個(gè)驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)聚合簽名時(shí)， 區(qū)塊才能被驗(yàn)證。

在SPOS 機(jī)制中， 每個(gè)分片都由驗(yàn)證者組成， 驗(yàn)證者的資格是通過權(quán)益確定的， 該權(quán)益在智能合約中持有， 并有評級。較低的評級會降低驗(yàn)證者被選中的概率。對于每個(gè)區(qū)塊， 通過輪盤賭選擇（roulette-wheel selection）隨機(jī)選擇一組新的驗(yàn)證者。隨機(jī)選擇的去中心化性質(zhì)確保了攻擊向量永遠(yuǎn)無法預(yù)測驗(yàn)證者是誰， 因此他們無法知道占據(jù)哪些節(jié)點(diǎn)來發(fā)動(dòng)攻擊。

基于pBFT 的領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者模型（leader-follower model）， SPOS將驗(yàn)證者組中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)指定為區(qū)塊提出者。因此， 提出者和驗(yàn)證者都是隨機(jī)選擇的， 從而使共識層能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)提供最佳的安全性。

SPOS 的優(yōu)點(diǎn)是， 與pow不同， 它是環(huán)保的。由于節(jié)點(diǎn)是根據(jù)權(quán)益和評級選擇的， 因此不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)算力會集中到兩個(gè)或三個(gè)礦場中。相反， 任何人都可以成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)， 由于這個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需最少的資源來讓活躍節(jié)點(diǎn)參與， 區(qū)塊鏈仍然是真正去中心化的。

自適應(yīng)狀態(tài)分片

自適應(yīng)狀態(tài)分片包括網(wǎng)絡(luò)/通信、交易/計(jì)算和狀態(tài)/存儲的分片。要想對自適應(yīng)狀態(tài)分片所包含的內(nèi)容有深入了解， 了解每種分片形式的目的是很重要的。

交易/計(jì)算分片：交易分片這種機(jī)制被許多項(xiàng)目所追求。它解決了PoW 的不足——每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須批準(zhǔn)每個(gè)交易。在交易分片中， 節(jié)點(diǎn)被拆分為不同的組（分片）并行處理交易。

網(wǎng)絡(luò)/通信分片：數(shù)據(jù)（消息） 是跨分片分區(qū)的。

狀態(tài)/存儲分片：區(qū)塊鏈必須存儲它們處理的交易的整個(gè)歷史記錄。狀態(tài)/存儲分片不是讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲所有數(shù)據(jù)的副本， 而是將存儲負(fù)擔(dān)分配到不同的節(jié)點(diǎn)組 （分片） 之中。

Elrond 網(wǎng)絡(luò)集成了所有三種形式的分片， 這使得網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展可以跟驗(yàn)證者和分片的數(shù)量成正比（藍(lán)狐筆記注：它的意思說，隨著分片和驗(yàn)證者的增加，其網(wǎng)絡(luò)也會得到線性的擴(kuò)展。）。

元鏈（Metachain）協(xié)調(diào)分片， 并確保在更多節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)激活新的分片。分片可以被無縫添加， 因?yàn)殄X包通過分層二叉樹模型在分片之間進(jìn)行劃分。添加分片會將父分片的一半地址空間傳遞給兄弟分片。同時(shí)， 刪除后續(xù)分片會將地址空間從兄弟分片合并回父分片。

跨分片交易

Elrond 網(wǎng)絡(luò)允許將交易從一個(gè)分片發(fā)送到另一個(gè)分片。由于網(wǎng)絡(luò)使用異步模型， 驗(yàn)證和處理首先在發(fā)送方分片中進(jìn)行， 然后在接收方分片中進(jìn)行。當(dāng)交易被調(diào)度時(shí)， 元鏈通過創(chuàng)建和提出新的元區(qū)塊（元鏈上創(chuàng)建的區(qū)塊）， 并公證從發(fā)送分片中來的區(qū)塊確保它的安全。

元區(qū)塊包含有關(guān)每個(gè)分片區(qū)快的以下信息： 發(fā)送方分片 ID、接收方分片 ID 和分片區(qū)塊哈希。（藍(lán)狐筆記注：是不是跟以太坊和Harmony的信標(biāo)鏈有似曾相識的感覺？）

在跨分片交易中， 接收分片從元區(qū)塊中獲取交易的相關(guān)分片區(qū)塊的哈希（在分片中創(chuàng)建的區(qū)塊， 而不是元鏈中創(chuàng)建的區(qū)塊哈希）， 請求發(fā)送分片中的分片區(qū)塊， 分析交易列表， 請求缺少交易 （如果有）， 然后最終在本地分片中執(zhí)行相同的分片區(qū)塊， 并將此分片區(qū)塊發(fā)送到元鏈中成為元區(qū)塊。一旦這一點(diǎn)被元鏈公證， 交易就最終完成。

結(jié)語

Elrond 網(wǎng)絡(luò)是高度專注的研究和開發(fā)的成果， 也是各種新型區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施解決方案實(shí)施的結(jié)果。每一層都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用——從處理網(wǎng)絡(luò)吞吐量到通信或驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)交易。該網(wǎng)絡(luò)能夠通過其本地使用自適應(yīng)狀態(tài)分片來增加新的分片， 從而擴(kuò)大某些層的容量。安全權(quán)益證明 （SPOS） 共識確保：在（1）區(qū)塊鏈具有去中心化的性質(zhì)， （2）實(shí)施區(qū)塊驗(yàn)證資格的權(quán)益和評級系統(tǒng)， （3）以及區(qū)塊提出者和驗(yàn)證者的可證明地隨機(jī)選取，三種方法結(jié)合的情況下， 網(wǎng)絡(luò)仍然是安全的。

Elrond 網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)持可擴(kuò)展性、去中心化和互操作性的原則。由于每個(gè)分片能夠每秒處理3750 筆交易， 并確保即使是一臺簡單的筆記本電腦也能運(yùn)行一個(gè)節(jié)點(diǎn)， 因此網(wǎng)絡(luò)符合可擴(kuò)展性和去中心化的原則。此外，其虛擬機(jī)與EVM 的兼容性提供了互操作性， 確保在需要更高吞吐量的行業(yè)和應(yīng)用場景中，可輕松將其網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到Elrond。