从区块链可扩展性方案看TERA的分片优势!

链AI  2019-08-12  区块链/区块链Blockchain栏目  

  前言:公共区块链平台目前面临的最大问题之一是可扩展性。事实上,今天的以太坊比特币网络每秒交易数量很低。缓慢的事务处理造成了一个严重瓶颈问题,因为它们阻塞了网络,使区块链难以用于实时支付。支付处理的时间越长,对终端用户来说就越不方便。目前已知的最具去中心化形态的POW机制公链中,TERA每秒的事物处理量达到了1000TPS(未分片状态),但我们认为这还是不能满足未来区块链行业的发展需求。

  分片扩容的意义

  

  假如TPS为1000,传输达到每秒8Mbps(上下行),目前国内网络基本上是下行可以,上行达不到。假如TPS为一百万的话,就需要8Gpbs。那么这个传输量普通节点是无法达到的。所以说区块链世界分片真正的瓶颈不在于计算能力,而在于存贮和传输。这个问题靠链下扩容是解决不了的。只能靠分片来解决。


  比如说TPS为1000,按比特币或者以太坊平均一个交易是0.5K;一个交易至少被广播两次;一天是86400秒;一年365天,得到如下计算:

                1000X0.5X2X86400X365≌15.7TB

  这意味着如果比特币开始支持1000TPS的话,现在比特币数据量是157TB。试问谁能解决157TB的数据存储?一般人电脑上是没有这么大硬盘的。而如果是一百万TPS的话那就是157PB的数据,相当于阿里或者腾讯数据中心的体量了!

  区块链可扩展性方案分类

  Layer 2方案

  Layer 1方案

  区块链可扩展性分类举例

  比特币支付速度很慢,假如我给你付一笔钱需要10分钟发送、60分钟确认的安全性保障,那你面对如此时长该怎么办?支付通道方案设计一个规则,我掏100元抵押出去你也掏100元抵押出去,各掏100元块钱等于200块钱抵押一个协议,我们输赢之间都在这200块钱之内。但只要把这个结局一次性传上来就行了,不需要在中间过程中再做很多的链上计算。因为链上计算能力实在很弱。这就是闪电网络的方案。相当于你我之间有个微通道。你我之间个压一笔钱出来然后我们之间互相结算,结算后我们一起去做确认,然后传到链上。这样可以有多人的微通道,虽然这笔钱我没有直接付给你,但是我可以先把钱付给张三;张三再把钱转给你。这样的话也实现了多个微通道之间可以转发的路由关系。

  闪电网络是一个比较好的概念,确实也是应用落地了。但他存在问题也比较明显。比如我跟你之间签了一个协议,然后我跑了不管你了,你发现你抵押的100块钱根本取不出来,你那100块钱押金取不出来你怎么办呢?你的提交一个请求说我要把这笔钱强行撤回来,这个强行撤回来的过程大约需要7天的时间。如果在7天时间里对方没有去做申诉,或者没有反对意见之后,你才能把100块钱撤回去。支付通道方案中你可以与100个人建立支付通道,然后在各个通道间路由来、路由去,这看似很美好,但他存在的问题是:假如是我跟支付宝签了一个路由通道,你也跟支付宝签一个支付通道,我们都通过支付宝来走,你会发现这个方案看似是个最优解。但最后却导致了一个非常中心化的结果。

  假设一个情形,我们在以太坊上做足球博彩游戏,我压主队胜你压客队胜。球赛结果为3:0,最终你肯定需要有一个通道以便你将这个结果上传到以太坊链上。这个连结主网和外部世界的沟通渠道就是Plasma。

  事实上在支付通道Payment channel方案里,用Plasma的技术是可以实现的。比如闪电网络,可以用Plasma去实现。Plasma就是用来支持这种链外的一些交互协议。以太坊2.0计划里面的一部分就是Plasma,现在也还在实践中。虽然目前很多项目开始采用它,但是它多多少少都会面临一些中心化或者说安全性问题。而这些问题目前并未得到完全解决。

  上图显示了DAG一个块可以连到前面的某一个块,这就叫有向无环图。有向就是都指向前面,无环就是这些指向关系不能形成环状,只能后面指向前面。DAG有点像扎堆排队,比特币以太坊有点像有序排队。DAG排队是所有人涌上去,队伍看着不是很长但是特别的粗,一堆人挤在一起。有人觉得这样我挤在前面,我被服务的概率就高了。所以DAG本质上没有提升矿工的处理能力。你的队伍排成这样,而前头的窗口还是维持原样。本质上不管你是老老实实排队,还是排成一团都不能解决根本性问题,即总体处理能力的问题。因为处理能力还是由矿工决定的,矿工还是要处理那么多数据,还是要解决那么多传输,还要存储那么多数据,其本身处理能力并不会有实质性的提升。

  使用DAG方案的项目非常多,例如IOTA,vite和conflux等等。自打IOTA一开始实施DAG方案就一直存在着一个问题,就是存储和传输的数据非常多,全网的数据你都要收一份,全网的交易你都要处理一次,而这些问题所有的项目都还没有解决。

  有一个很著名的问题叫做网络风暴问题,DAG只关注到了网络问题,很少关注存储问题。因此,所有DAG都存在着一个网络风暴问题,他的网络传输量非常大,而单节点的传输能力往往是有限的。较有热度的conflux项目自己也认为DAG只是一个上层的共识,还是需要一个底层的分片技术,也就是Sharding。

  在侧链方案中,由于依附于某主链的侧链可能会很多,这样就就可能造成每条独立侧链的矿工稀少,并且群体固化。本质上是说如果永远是一拨矿工为一条链服务,那么这条链的安全性是没办法保障的。而分片是随机选举矿工,有一部分矿工是服务于这条链,有另一部分矿工是服务于那条链。首先不是你报名要为这个链服务就可以成为这条链的矿工,这是由分片机制随机选择的。也就是说矿工没有能力决定自己为哪个分片服务,你是被随机选过去的没法提前串通好。另外,每隔很短时间矿工们会被动态调整,重新分配一次,相较于侧链方案,分片方案很难产生矿工腐败行为。

  分片是一种扩展技术,其灵感来自传统的数据库分片概念,即将数据库划分为若干块并放在不同的服务器上。在公共区块链中,网络上的事务负载将被划分为包含网络上不同节点的不同分片。因此,每个节点只处理传入事务的一小部分,并且与网络上的其他节点并行处理。这种将网络分成碎片的方式将可以同时处理和验证更多的事务。

  TERA的分片模型

  TERA分片机制分析

  在PoW共识中,网络安全与时间之间存在着有趣的关系。我们花在创建哈希上的时间越多,网络就越安全,反之亦然。这就像法律,无法回避。因此,如果没有足够多的矿工支持分片的验证,那么这个分片将不太可能有一个确认块。具有相当少确认的分片将不太适合用户,这也将影响其市值(因为每个分片都是具有自有加密货币的单独区块链)。

  矿工指示他的节点与这些正在验证的分片之间的节点连接,挖矿时,只有经过验证的分片的哈希值才会包含在获胜者的默克尔树(Merkle-Tree)中。只有在共享网络哈希中包含分片块时,用户才会认为分片块有效。

  因此,只有一个节点的矿工将仅验证一个分片,而拥有许多节点的矿工将几乎验证所有分片。

  TERA网络创建规则

  为了在网络内有效地传输公共和内部共享信息,TERA创建了几类交换路径。这是一种具有多维网格轮廓的形式。由于不保证网络中每个节点的操作有效,因此节点连接将是动态的 —— 它们通过连接到其他节点并通过保留操作痕迹来不断维护。

  多维规则网格形式的动态结构是建立在节点标识符的相似性的基础上的——根据这种相似性的程度,确定多维立方体中的维数,这个维数将被称为信息交换的级别。由于许多节点可以声明相同的级别,因此存在以下顺序:

  一般信息包含在所有节点中,因此规则会指示包含唯一信息的节点具备第一填充级别,然后是其余一般的信息。

  因此,节点将连接到外部多维立方体以交换公共网络信息和内部立方体以在每个分片内交换信息。

  TERA跨分片

  为了在每个节点中提供跨分片交易,TERA设置了一个特殊的缓冲区,它是一个高度为1000块的元素数组。区块链将从此数组启用快速验证,而后计算哈希(CrossHash)。该哈希将写入分片块的标头。数组中的元素是成功的跨分片交易的哈希,因此,外部分片可以快速检查另一个分片中的跨分片交易是否已成功完成。如果交易同时出现在所有需要的缓冲区中,则记录为成功。

  下图在两个分片的缓冲区中用粗体文字标注了匹配交易:

  结论

  我们可以想象,现有的区块链就像一条繁忙的高速公路,只有一条公路且只有一个收费站运行其上。结果只会造成交通堵塞。实现基于分片的区块链就像多建设N条高速公路,并增设N个收费站,这将大大提升交通速率。

  基于分分的区块链的实现可以为公共区块链带来各种好处。首先,每秒可以处理数千笔甚至更多的交易,这改变了人们对加密货币作为支付方式的效率的看法。提高事务吞吐量将为分布式系统带来越来越多的用户和应用程序,而这反过来又将促进区块链的采用,使挖矿变得更有利可图,并吸引更多节点进入公共区块链网络,从而创造一个良性循环。

  此外,分片可以帮助降低交易费用,因为验证单个交易所需的处理将更少;节点可以收取更少的费用,但仍然可以盈利。将低费用与高事务处理能力相结合,公共区块链对实际应用的吸引力将越来越大。

  本文转载自区块链共识社区,作者老迪。

  

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