隨著區(qū)塊鏈在越來越多的試點(diǎn)項(xiàng)目中被推出，包括從跨境金融交易到供應(yīng)鏈管理，但是一個(gè)長期性問題卻仍然存在:缺乏可擴(kuò)展性。
隨著越來越多的計(jì)算機(jī)加入對等網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)系統(tǒng)的效率通常會(huì)直線下降。
可擴(kuò)展性已經(jīng)被認(rèn)為是比特幣和以太坊等加密貨幣的一個(gè)通病。如果分布式分類賬想要讓金融技術(shù)公司采用，并以當(dāng)前數(shù)百倍的速度來與支付網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行競爭的話，就必須找到一種方法來提高可擴(kuò)展性和吞吐量，并解決延遲問題。
分片技術(shù)的采用。
分片技術(shù)是開發(fā)人員為提高事務(wù)吞吐量而正在探索的幾種流行方法之一。簡單地說，分片是一種分區(qū)方法，它會(huì)將計(jì)算和存儲(chǔ)工作負(fù)載分散到對等(P2P)網(wǎng)絡(luò)上，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)就不必同時(shí)處理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的事務(wù)負(fù)載。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要維護(hù)與其分區(qū)或分片相關(guān)的信息。
分片中包含的信息仍然可以在其他節(jié)點(diǎn)之間共享，這使得分類賬可以同時(shí)保持分散和安全性，因?yàn)槊總€(gè)人仍然可以看到所有的分類帳條目;他們只是不會(huì)同時(shí)處理和存儲(chǔ)所有的信息。
共識(shí)的難題
公共區(qū)塊鏈中的最持久的問題之一，就是圍繞共識(shí)協(xié)議--如何就擬議的交易是否真實(shí)、是否應(yīng)該添加到分布式賬簿上，從用戶那里獲得一致性的意見;諸如最流行的工作量證明(PoW)機(jī)制就是一個(gè)高度計(jì)算密集型的共識(shí)協(xié)議。
在基于PoW機(jī)制的區(qū)塊鏈中，每個(gè)認(rèn)證計(jì)算機(jī)或節(jié)點(diǎn)都會(huì)記錄鏈中的所有數(shù)據(jù)，并作為協(xié)商過程的一部分。在比特幣等大型區(qū)塊鏈中，如果要將新交易添加到分類賬中，大多數(shù)參與節(jié)點(diǎn)就必須對新交易進(jìn)行身份驗(yàn)證并記錄信息;這使得完成每一筆交易都變得異常緩慢而艱難。正因?yàn)槿绱?，基于PoW的比特幣每秒只能處理3.3到7筆交易，而完成一筆交易則可能需要10分鐘。以太坊是另一種流行的區(qū)塊鏈分類賬和加密貨幣，每秒只能處理12到30筆交易。
相比之下，Visa的VisaNet則平均每秒能夠處理1700筆交易。
讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)都記錄添加到區(qū)塊鏈的新信息的好處是，數(shù)據(jù)總是無可爭議的，不可更改的?；赑oW的區(qū)塊鏈總是一次寫入，并附加了許多應(yīng)用程序;因此，它們是不可改變的。
Ethereum和Hyperledger是世界領(lǐng)先的區(qū)塊鏈平臺(tái)，也是無數(shù)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，從加密貨幣(如Ethereum的以太)到那些“智能”的或自動(dòng)執(zhí)行的在線合同。以太坊也正在探索分片技術(shù)，而Hyperledger則沒有。
“分片技術(shù)是一個(gè)起源于水平數(shù)據(jù)庫分區(qū)的概念，目前正被以太坊采用。這樣，就不是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須處理所有事務(wù)，可以達(dá)到增強(qiáng)可擴(kuò)展性的目的。”Gartner的副總裁兼杰出分析師AvivahLitan表示。
去年，在區(qū)塊鏈分類賬和加密貨幣達(dá)到每天100多萬筆交易之后，以太坊便開始探索提高性能的方法。
以太坊提出了兩個(gè)解決方案。一種是“第2層”機(jī)制--在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中處理鏈外事務(wù)，而只在分類賬上記錄永久性條目;另一個(gè)解決方案則是分片，以便能夠同時(shí)并行處理更多事務(wù)。
第2層協(xié)議將大多數(shù)事務(wù)發(fā)送到鏈外處理，并且僅與底層區(qū)塊鏈交互以便進(jìn)入和退出第2層系統(tǒng)。第2層協(xié)議通過在局域網(wǎng)內(nèi)或相鄰廣域網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)，減輕了P2P區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。
在激活分片之后，區(qū)塊鏈的“狀態(tài)”被分為了分片或分區(qū)。Litan解釋說，每個(gè)唯一的用戶帳戶都只存在于一個(gè)分片當(dāng)中，并且?guī)糁荒芘c同一分片中的其他帳戶進(jìn)行交易。“這使得許多并行事務(wù)可以同時(shí)發(fā)生，”她說。“然后便可以由以太坊選擇的單獨(dú)通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)分片之間的交叉通信。”
分片安全嗎?
除了解決了可擴(kuò)展性的問題之外，一些人認(rèn)為分片技術(shù)還維護(hù)了區(qū)塊鏈的本機(jī)安全性，因?yàn)樗Ａ袅?ldquo;區(qū)塊鏈大多情況下所需的分散和安全屬性，”以太坊的創(chuàng)建者VitalikButerin在當(dāng)時(shí)的一篇博客文章中寫道。
“從理論上講，事務(wù)吞吐量的增加和分片數(shù)量是線性關(guān)系。四個(gè)分片就可以實(shí)現(xiàn)大約四倍的吞吐量。而你可以有任意數(shù)量的分片”。Linux基金會(huì)Hyperledger區(qū)塊鏈項(xiàng)目的安全專家David Huseby表示。
但是，Huseby也指出，最終細(xì)節(jié)將會(huì)決定成敗。為了維護(hù)區(qū)塊鏈的安全性，您必須防范分片被惡意接管。康奈爾大學(xué)發(fā)表的一篇研究論文稱，破壞給定分片中的節(jié)點(diǎn)將導(dǎo)致相應(yīng)數(shù)據(jù)的永久丟失。
例如，在以太坊網(wǎng)絡(luò)的模型中，節(jié)點(diǎn)必須隨機(jī)分配給一個(gè)分片，并且在隨機(jī)的時(shí)間內(nèi)，將其重新分配給另一個(gè)隨機(jī)選擇的分片。
”這個(gè)想法是為了讓攻擊者很難預(yù)測或強(qiáng)制將其(惡意的)節(jié)點(diǎn)分配給某個(gè)分片。這使得惡意接管任何一塊分片都變得非常困難，”Huseby說。
Huseby解釋說，想要在Hyperledger區(qū)塊鏈上面實(shí)現(xiàn)分片并不是那么簡單的事情。
“我們的區(qū)塊鏈通常不像加密貨幣那樣處理‘地址’。Hyperledger區(qū)塊鏈專注于維護(hù)一個(gè)全局的狀態(tài)(類似于數(shù)據(jù)庫)，共識(shí)機(jī)制負(fù)責(zé)對該狀態(tài)的更新，而區(qū)塊鏈則負(fù)責(zé)進(jìn)行安全地存儲(chǔ)狀態(tài)更新，”Huseby說。
Hyperledger網(wǎng)絡(luò)也可以像以太網(wǎng)那樣簡單的使用分片，但由于它并不分割地址空間，所以可以嘗試不同的分片技術(shù)。
“如果我不得不割一個(gè)Hyperledger網(wǎng)絡(luò)，我將首先利用事務(wù)驗(yàn)證和塊構(gòu)造之間的劃分，”Huseby說。“事務(wù)驗(yàn)證比塊構(gòu)建要慢得多，所以我的第一步就是大幅增加事務(wù)驗(yàn)證器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。”
第二個(gè)挑戰(zhàn)是處理“瘦”客戶機(jī)(也稱為SPV，簡化的付款驗(yàn)證錢包)，你需要確保這些節(jié)點(diǎn)在分割成分片時(shí)擁有區(qū)塊鏈狀態(tài)的全貌。為了解決與分片相關(guān)的可見性問題，瘦客戶端可以通過單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，并為每個(gè)分片維護(hù)一個(gè)本地狀態(tài)的副本。
最后，分片之間的通信也是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)槊總€(gè)分片是作為一個(gè)單獨(dú)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的。
解決通信問題
本月初，初創(chuàng)公司Devvio宣布，它已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)基于分片、第2層協(xié)議和高效共識(shí)機(jī)制的高效分布式賬本協(xié)議，可以解決區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)所面臨的所有主要問題。Devvio表示，該協(xié)議每秒可執(zhí)行多達(dá)800萬筆交易，可用于全球性的金融業(yè)務(wù)。
Devvio聲稱它可以有效地使用基于分片的獨(dú)立區(qū)塊鏈進(jìn)行擴(kuò)展。如果需要額外的吞吐量，隨著時(shí)間的推移可以添加數(shù)千個(gè)分片，最終可以在全球公共區(qū)塊鏈上實(shí)現(xiàn)每秒處理數(shù)千萬個(gè)事務(wù)。
在Devvio的“Devv”協(xié)議中，每個(gè)分片代表了一個(gè)單獨(dú)的區(qū)塊鏈分類賬;該公司聲稱隨著時(shí)間的推移，可以將數(shù)千個(gè)分片添加到全球公共區(qū)塊鏈中，最終每秒可以處理數(shù)千萬個(gè)事務(wù)。例如，每個(gè)分片都是Devv離散分類帳上的一個(gè)獨(dú)立區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，可以同時(shí)處理多達(dá)3，000個(gè)事務(wù)。Devvio的首席執(zhí)行官Tom Anderson表示，添加另一個(gè)節(jié)點(diǎn)將使其能夠處理的事務(wù)數(shù)量增加一倍。
每個(gè)分片(也是一個(gè)加密錢包)都將成為一個(gè)更大網(wǎng)絡(luò)上的輸入，Devvio將這個(gè)網(wǎng)絡(luò)稱為T1網(wǎng)絡(luò);各個(gè)分片可以通過一個(gè)名為T2的獨(dú)立事務(wù)網(wǎng)絡(luò)與其他分片進(jìn)行通信。
Forrester Research的首席分析師Martha Bennett指出，幾乎所有當(dāng)前正在使用或打算使用分片技術(shù)的區(qū)塊鏈框架都在以不同的方式執(zhí)行著類似的功能。
PolyShard是一種分片解決方案，它利用編碼理論的思想，同時(shí)在安全性、存儲(chǔ)效率和計(jì)算效率方面實(shí)現(xiàn)了最佳平衡。其核心思想是節(jié)點(diǎn)不應(yīng)該存儲(chǔ)復(fù)制的數(shù)據(jù);相反，它們應(yīng)該只存儲(chǔ)數(shù)據(jù)編碼的線性組合。
例如，在瑞士一家名為分布式技術(shù)研究基金會(huì)(DTR)的非營利性組織的贊助下，七所大學(xué)剛剛宣布，他們正在開發(fā)一種新的數(shù)字貨幣網(wǎng)絡(luò)，試圖通過分片來解決區(qū)塊鏈的可擴(kuò)展性和性能問題。
“缺乏可擴(kuò)展性阻礙了加密貨幣的采用，而我們的突破性研究正在解決這個(gè)問題，”DTR基金會(huì)的成員Joey Krug說。“Unit-e的開發(fā)人員正在將這項(xiàng)研究轉(zhuǎn)化為一個(gè)真正能夠解決可擴(kuò)展性問題的解決方案，這將使大量分散的金融應(yīng)用程序受益。”
Unit-e正在使用一個(gè)名為“PolyShard”的“全新的分片方法”，這是一種存儲(chǔ)和計(jì)算解決方案，能夠在不犧牲安全性的前提下提高效率。其關(guān)鍵在于，PolyShard協(xié)議能夠?qū)碜圆煌脩艉褪聞?wù)的數(shù)據(jù)混合在一起，并仍然允許精確的數(shù)據(jù)恢復(fù)，類似于服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)上的虛擬化。
然而，到目前為止，其分片機(jī)制仍處于開發(fā)和測試階段(從某種意義上說，還只是處于理論階段)，還在創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化的方法，希望能夠同時(shí)解決可擴(kuò)展性和性能問題。在將切分視為解決方案之前，必須首先解決這個(gè)挑戰(zhàn)。
Husebuy說:“分片并不是一個(gè)簡單的可擴(kuò)展性解決方案。有很多細(xì)節(jié)需要考慮，我們需要一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來配合這個(gè)理論，然后我們才能確認(rèn)它的安全性。而在此之前，必須小心假設(shè)，這樣攻擊者就無法輕易的找到漏洞并繞過安全和共識(shí)機(jī)制。”
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