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分片:它是什么以及为什么许多区块链协议依赖它

01-29 10:25

标签    区块链技术   区块链社区   区块链新闻   加密货币   区块链媒体

文章来源: 万链之家

由于区块链正在越来越多的试点计划中推出,从跨境金融交易到供应链管理,一个持久性问题仍然存在:缺乏可扩展性。


随着越来越多的计算机加入对等网络,整个系统的效率通常会降低。



可扩展性已被确定为加密货币的问题,如比特币和以太坊的以太网。如果分布式账本要通过金融技术(FinTech)公司实现并与支付网络竞争速度提高数百倍,那么它必须找到一种方法来提高可扩展性和吞吐量并解决延迟问题。


输入“ 分片”。


Sharding是开发人员为提高事务吞吐量而探索的几种流行方法之一。简单地说,分片是一种分区方式,可以在对等(P2P)网络中分散计算和存储工作负载,这样每个节点都不负责处理整个网络的事务负载。相反,每个节点仅维护与其分区或分片相关的信息。


分片中包含的信息仍然可以在其他节点之间共享,这使得分类账保持分散和安全,因为每个人仍然可以看到所有分类帐条目; 他们根本不处理和存储所有信息。

共识的难题

公共区块链最持久的问题之一围绕共识协议 - 如何与用户就提议的交易是否真实并应添加到分布式账本中达成协议; 诸如最流行的工作证明(PoW)机制之类的共识协议可以是高度计算密集的。



在基于PoW的区块链中,每个认证计算机或节点都记录链中的所有数据,并且是共识过程的一部分。在诸如比特币之类的大型区块链中,大多数参与节点必须验证新交易并记录该信息(如果要将它们添加到分类账中); 这使得完成每笔交易变得缓慢而艰巨。因此,基于PoW的比特币每秒只能处理3.3到7个事务 - 而单个事务可能需要10分钟才能完成。以太坊是另一种流行的区块链分类账和加密货币,每秒只能处理12到30笔交易。


相比之下,Visa的VisaNet平均每秒处理1,700笔交易。


让每个节点记录新信息被添加到区块链的好处是数据是无可争议且不可更改的。基于PoW的区块链是一次写入,附加许多应用程序; 因此,它们是不可改变的。


以太坊和Hyperledger是世界领先的区块链平台,也是无数应用的基础,从以太网的以太网等加密货币到“智能”或自动执行的在线合同。以太坊正在探索分片,而Hyperledger则不然。


Gartner副总裁兼杰出分析师Avivah Litan说:“Sharding是一个源于水平数据库分区的概念,并且被以太坊采用......并且功能使得并非每个节点都必须处理所有事务,从而提高可扩展性。”


去年,在区块链分类账和加密货币每天达到超过一百万笔交易后,以太坊开始探索提高业绩的方法。


以太坊决定提出两个修正案。一个是“第2层”机制 - 在标准数据库中处理链外的交易,只记录分类账上的永久条目; 另一个解决方案是分片,允许同时并行处理更多的事务。


第2层协议将大多数事务发送到链外,并且仅与底层区块链交互以进入和退出第2层系统。第2层协议在LAN或相邻WAN内的节点之间传输数据,从而减轻了P2P区块链网络的负担。


激活分片后,区块链的“状态”将分为分片或分区。Litan解释说,每个唯一的用户帐户等同于一个分片,而帐户只能与同一个分片中的其他帐户进行交易。“这允许许多并行交易同时发生,”她说。“然后由以太坊选择的单独协议允许交叉分片通信。”

分片安全吗?

除了解决可扩展性之外,一些人认为分片还可以维护区块链的本地安全性,因为它保留了“区块链的大部分所需的分散和安全属性”,以太网创建者Vitalik Buterin在当时的博客文章中写道。


“从理论上讲,交易吞吐量的增加是分片数量的线性关系。四个分片?大约是吞吐量的四倍。可以有任意数量的分片,”Linux基金会Hyperledger区块链项目的安全专家David Huseby说。

区块链技术

但是,Huseby指出,魔鬼在细节中。为了保持区块链的安全性,您必须防止碎片收购。根据康奈尔大学发表的研究论文,腐蚀给定碎片中的节点将导致相应数据部分永久丢失。


例如,在以太坊网络的模型中,必须将节点随机分配到分片,并随机将它们重新分配给另一个随机选择的分片。


“这个想法是让攻击者很难预测或强迫他们(恶意)节点被分配到哪个碎片。这使得拜占庭收购任何一个碎片变得更加困难,”Huseby说。


Huseby解释说,使用Hyperledger区块链进行分割不是那么简单和干燥。


“我们的区块链通常不像加密货币那样处理'地址'.Hyperledger区块链专注于维护全局状态(思考数据库),共识机制调节对该状态的更新,同时区块链安全地存储状态更新,”Huseby说。


Hyperledger网络可以像以太网一样垂直分片,但由于它不会分割地址空间,因此可以自由尝试不同的分片技术。


“如果我不得不欺骗Hyperledger网络,我首先会利用事务验证和块构建之间的划分,”Huseby说。“事务验证比块构建要慢得多,所以我的第一步就是大幅增加事务验证器节点的数量。”


第二个挑战是处理“瘦”客户端,也称为SPV(简化支付验证)钱包,以确保这些节点在分片之间分配时具有区块链状态的完整画面。为了解决与分片相关的可见性问题,瘦客户端通过单独的网络进行通信,并为每个分片维护本地状态副本。


最后,碎片间通信提出了挑战,因为每个碎片显示为单独的区块链网络。

解决通信问题

本月早些时候,初创公司Devvio宣布它已经创建了一个基于分片,第2层协议和有效共识机制的高效分布式分类账协议,可以解决区块链网络面临的所有主要问题。Devvio表示,其协议可以通过每秒执行多达800万笔交易来扩大全球金融业务。


Devvio的“Devv”协议中,每个分片代表一个单独的区块链分类帐; 该公司声称随着时间的推移,可以将数千个分片添加到全球公共区块链中,最终每秒处理数千万个事务。例如,每个分片都是Devv分散分类帐上的独立区块链节点,可以处理多达3,000个事务。根据Devvio首席执行官汤姆安德森的说法,添加另一个节点会使能够处理的交易数量翻倍。


每个分片(也是加密钱包)成为较大网络上的输入,Devvio称之为T1网络; 各个分片可以通过一个名为T2的独立事务网络与其他人通信。


Forrester Research的主要负责人Martha Bennett指出,几乎所有使用或正在建议使用分片的区块链框架都以不同的方式执行功能。


例如,一家名为分布式技术研究基金会(DTR)的瑞士非营利组织赞助的七所大学刚刚宣布他们正在开发一种数字货币网络  ,通过分片解决区块链的可扩展性和性能问题。


“缺乏可扩展性阻碍了加密货币的采用,[我们]开创性的研究正在解决这个问题,”DTR基金会理事会成员Joey Krug说。“Unit-e开发人员正在将这项研究转化为真正的可扩展性能,这将有利于大量分散的金融应用。”


Unit-e正在使用称为“PolyShard”的“全新分片方式” - 一种存储和计算解决方案,可在不牺牲安全性的情况下,为更多用户提高效率。关键是PolyShard协议混合了来自不同用户和交易的数据,其方式仍然允许准确的数据恢复,类似于服务器和存储系统上的虚拟化。


然而,到目前为止,分片机制仍处于开发和测试阶段 - 从某种意义上讲是理论上的 - 并且创建标准化方法,不仅解决可扩展性而且还解决安全问题。在将分片视为解决方案之前,必须解决这一挑战。


“对于可扩展性而言,分片并不是一种切割干燥的解决方案,”Husebuy说。“有许多细节需要考虑,我们需要一些经验实验来配合理论才能称之为安全。实施时必须小心谨慎,以便攻击者无洞可以用来绕过任何安全和共识机制。“


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