以太坊的分片技术

官方资料

目标
  1. Scaling: 可伸缩性，即性能能够达到VISA水平，千级TPS
  2. 可用性：
    • 跨智能合约交易
    • 跨片交易
  3. 紧耦合
Collation——校对数据结构

Collation Header

  • shard_id: the Shard ID of shards, most like a network-id, from 0~N-1(N is shard number).
  • parent_hash: the hash of parent collation.
  • chunk_root: 类似于默克尔树root的一个字段，是对body里面的chunks的root.
  • period（周期）: 进行校对的周期. (主链上五个区块算一个周期)
  • proposer_bid: 该collation的提案人的地址.
  • proposer_signature: 提案人的签名.

Collation Body

  • chunks: list-chunks

整体概览

两层和三个步骤：

  • 第一层
    • 提案人(Proposer)收集交易放入到Collations中
    • 校对人(Collator校对
      • a: 链接Collations
      • b: 同意规范链
  • 第二层
    • 执行人(Executor)
      • a: 处理交易
      • b: 执行智能合约
      • c: 计算状态
Proposer
  1. 任何人都可以成为Proposer
  2. 运行管理一个交易池
  3. 收集所有的交易进行打包
  4. 发送和接收Collation Body
Collator
  1. 被伪随机抽样为来自所有碎片的整理池的“特定碎片和特定时期”的合格的整理者
  2. 整理提案来构建排序规则
Executor
  1. 执行状态转换功能
  2. 提议者最好也应该是执行者，这样可以知道交易的消耗的gas，并选择费用高的交易

Sharding Manager Contract（SMC）

SMC Architecture

执行流程

  1. 验证者通过查看LOOKHEAD, 就是先前的区块链信息去判别接下来的验证者身份
  2. 普通用户提交交易到proposer
  3. proposer打包出collations并分一些gas去给验证者
  4. 验证者传输接收潜在的collations
  5. 验证验证直到一定的深度的片段
  6. 验证者提交所验证的片段的深度给root chain
  7. 恶意的验证者会提交一个非法的collation
  8. 下一阶段的验证将在此分叉处处理这个非法的collation, 选取前一个合法的collation提交给root chain

分片方案与现有架构的整合图

Eth_Sharding Architecture

Sharding FAQ

三个简单的实现扩容的方案
  1. 不再使用单一的链结构。但是这样会加多N-因子，导致安全性的下降
  2. 提高区块的大小。但是这种方案将导致很多弱连接的节点下线，最终成为集中式的中心化结局
  3. 联合挖矿。所有的矿工一起挖，共享收益，但是这种方式将导致矿工的成本增加，原理上还是和提高区块大小一样
扩展性的难题
  1. Decentralization（分散化）。任何设备接入并且只都能提供O(c)的资源
  2. Scalability（可扩展性）。能够处理O(n) > O(c)的交易
  3. Security（安全性）。能够抵御O(n)资源的攻击

c指单节点能够提供的有效资源(计算，带宽，存储)，n指整个生态的规模，交易负载，存储状态大小，数字货币价值都与n成正比。

What are some moderately simple but only partial ways of solving the scalability problem ? 什么是解决可伸缩性问题的一些中等简单但仅部分的方法？

早期的分片思想和后来的Zilliqa, Merklix tree都是在使用分片或者碎片技术来解决吞吐量的问题，主要用于解决交易吞吐量的问题，但是没有考虑存储的代价。要全面解决这些问题，还需要解决状态存储，事务执行和广播机制都全面调整。需要深入到P2P层。早期的一个分片方案ELASTICO。

并没有走分片路线的其他方法？

  1. 用拜占庭协议去改造区块链共识形态: Bitcoin-NG
  2. 使用外部通道和off-chain加速: Lightning Network，Raiden
  3. 使用密码学来改造： Mimblewimble，zk-SNARKs

术语

  • State: 当前的状态，可以判别是否有效。比如Bitcoin中的UTXO，Ethereum中balance+nonce+code+storage，Namecoin中的域名注册表
  • History: 自从传世交易以来的所有交易记录
  • Transaction: 用户生成的含有签名的一个操作，有时候叫 blobs
  • State transaction function: 是一个涉及操作状态的交易
  • Merkle tree: 验证只需要 O(log(n))的一种存储数据的树形结构
  • Receipt: 代表一个事物效果的对象，并不直接存储在State中，但是存储在Merkle中，用于表示记录的存在，便于以后查询和使用，比如Ethereum中的Logs就是Receipt
  • Light client: 存储少量数据，用于Merkle判别的一种客户端实现
  • State root: 状态的Merkle树 State root

分片的初始思想

我们将状态和历史分为 K=O(n/c) 分区，我们称之为“碎片”。例如，以太坊的分片方案可能会将所有以0x00开头的地址放入一个分片中，以0x01开头的地址放入另一个分片中。在最简单的分片形式中，每个分片也具有其自己的事务历史记录，某些分片k中的交易仅限于分片k的状态。一个简单的例子是多资产区块链，其中有K个分片，每个分片存储余额并处理与一个特定资产相关联的交易。在更高级的分片中，还包括某种形式的跨分片通信功能，其中一个分片上的事务可以触发其他分片上的事件。

分片区块链的基本设计

一个简单的演示例子。为了简单，设计只存储数据点，不执行状态更改操作（UTXO）。存在一些叫做 collators 的节点分布在K分区中，负责接受blobs（transactions），并对这些交易进行打包操作成Collation，包括头，简短消息，上一个Collation和Merkle root。在每一个分区中，这都很想一条完整的区块链。现在的主链就是对这些一个个Collations的排序。一个分区K中的有效区块链，是指在主链上的所有K分区中的区块形成的那条最长链。因此在系统中存在几种节点。

  • Super-full node - 下载所有分区和所有Collation, 进行所有验证操作。
  • Top-level node - 处理所有主链区块，提供信息给其他的分片组。
  • Single-shard node - 处理所有主链区块，并且处理该分区内的所有Collations。
  • Light node - 下载主链的区块头。

Windback Verification——回溯验证。轻客户端通过下载最近的N（N=25）个Collation，来做有效性和可用性验证。

面临的挑战有哪些？

  • Single-shard takeover attacks —— 单分片占领攻击 => 一般采用随机选举算法抵御
  • State transition execution —— 状态交易执行。（具有强同步的状态，保持所有Collator具有准确的状态）
  • Fraud detection —— 欺诈识别
  • Cross shard communication —— 分片交叉通信
  • The data availability problem —— 数据可用性问题
  • Superquadratic sharding —— 2次分片

安全模型？

  • Honest majority —— 大部分是诚实的
  • Uncoordinated majority —— 大部分是理性的
  • Coordinated choice —— 协调选择
  • Bribing attacker model —— 贿赂型攻击者模型

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