藍狐筆記：不犧牲安全下的分片擴展_區塊鏈:RON

前言：對于區塊鏈來說，去中心化的本質是要達成安全。因此，去中心化是其根本屬性，是不能被妥協的一個屬性。那么，如何在不犧牲安全的情況下實現擴展？目前來看，分片是一條少有的能夠兼顧安全和擴展性的道路。本文作者RomiKumar以Elrond為例，框架性地分析了兼顧安全的分片擴展路徑。本文由“藍狐筆記”社群的“Cipher”翻譯。

關于區塊鏈驗證機制的實現問題，人們有些過度擔心了。通過分片,驗證過程只會得到加強。通過這一過程,只有相當小的一組節點(又名分片，而不是整個網絡節點)將對每個交易進行驗證。

在區塊鏈的情況下,場景并沒有那么復雜。區塊鏈網絡在邏輯上被劃分為多個較小的節點或分片。當用戶創建交易時,分片的驗證將由分片組中的節點執行。然而，有些比普通的分片更聰明更有潛力的東西,它的名字叫自適應狀態分片。

使用自適應狀態分片技術，每個分片每秒能夠進行3750筆以上的交易，如Elrond。

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當吞吐量增加時,新的分片會自行激活,這都得益于其自適應特性,在區塊鏈中實現線性的可伸縮性。

該網絡已開發近兩年。與此同時,人們對區塊鏈的興趣也在增加,因此投入的資源也在增加;因此,在現有的基礎設施上,特別是以太坊已經有了令人難以置信的發展。網絡基礎架構的第三個支柱是互操作性。

其區塊鏈服從以太虛擬機(EVM)。由于以太坊一直是許多獨立區塊鏈開發人員的基礎,因此對于試圖尋求擴展性的已有項目來說，該網絡將是最具吸引力的解決方案。為了進一步簡化項目利用以太坊網絡的流程,Elrond區塊鏈提供了與以太坊ERC-20代幣標準的反向兼容性。

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該網絡在真正去中心化的網絡中提供可擴展性、安全性和互操作性。該項目的測試網絡將很快上線,開發者將有一個早期的構建機會,可以說,在迄今為止先進的區塊鏈的基礎上更上一層樓。

加密層

該網絡利用Schnorr方案進行交易簽名和驗證;使用Schnorr簽名占用的數據空間更小。Schnorr方案不僅簡單高效,還采用了經過充分研究和久經實戰的算法。這種創建數字簽名的方法已經存在于各種加密貨幣中,也有人建議將其集成到比特幣網絡中。

由于區塊驗證需要來自多個驗證者的聚合簽名,因此需要多重簽名方案。這樣，該網絡將使用Boneh-lynn-shacham(BLS)多重簽名方案進行區塊簽名和驗證。

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在區塊鏈中,區塊、交易和帳戶都以數據的形式存在;所有這些數據都集中在區塊鏈的核心中。網絡核心中的數據模型可以實現臨時或永久存儲。

這一層的執行方面是確保一旦數據輸入得到驗證,區塊鏈就會寫入交易。執行層處理交易,然后將它們打包進區塊;然后在所有節點上維護執行的交易和區塊,以確保一致性。因此,執行層還在所有分片上并行維持節點同步;分片之間的同步是在元鏈(Metachain)上完成的。

該網絡是去中心化的協議,因此節點之間的有效通信至關重要。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。

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出于安全目的,網絡從各種分片中隨機重組節點。此外,所有節點都必須在交易吞吐量上保持同步。網絡必須能夠在分片的節點內和網絡中的所有分片內中繼通信,通信層可以實現這一點。使用分片內和跨分片通信通道還可確保網絡正確處理復合交易。

通信層確保節點連接,中繼網絡內數據的來回傳輸,為信息請求的提供通道,并處理在單個分片節點和跨網絡中所有分片的區塊、交易和收據的廣播。通信基于來自IPFS中經高度優化的libp2p。網絡分片可確保通信僅限于其在需要的地方使用。具體來說,分片內通信僅發生在感興趣的節點之間。這就實現鏈之間的互操作性,而不會導致數據流瓶頸。

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根據8 月 11 日發布的 ASIC 報告，在接受調查的 1,053 名澳大利亞人中，44% 的人擁有加密貨幣，而 25% 的人表示加密貨幣是他們擁有的唯一投資。（decrypt）[2022/8/24 12:46:10]

區塊鏈能夠通過維持共識,作為安全和去中心化的網絡運作。這是任何具有魯棒性的區塊鏈的基本屬性。在核心層和執行層處理了網絡功能并將其中繼到分片后,共識層充當一種這樣的機制,它可以確保吞吐量僅驗證誠實數據。

網絡的安全權益證明(SPOS)共識算法基于實用拜占庭容錯(pBFT)。拜占庭錯誤是去中心化網絡上的錯誤或不誠實的數據。顧名思義,pBFT的存在是為了確保共識層能夠承受上述的錯誤。pBFT共識假定網絡中不超過1/3的節點是惡意的。因此,在Elrond網絡中,只有當2/31個驗證者節點聚合簽名時,區塊才能被驗證。

在SPOS機制中,每個分片都由驗證者組成,驗證者的資格是通過權益確定的,該權益在智能合約中持有,并有評級。較低的評級會降低驗證者被選中的概率。對于每個區塊,通過輪盤賭選擇(roulette-wheelselection)隨機選擇一組新的驗證者。隨機選擇的去中心化性質確保了攻擊向量永遠無法預測驗證者是誰,因此他們無法知道占據哪些節點來發動攻擊。

基于pBFT的領導者-跟隨者模型(leader-followermodel),SPOS將驗證者組中的第一個節點指定為區塊提出者。因此,提出者和驗證者都是隨機選擇的,從而使共識層能夠為網絡提供最佳的安全性。

SPOS的優點是,與pow不同,它是環保的。由于節點是根據權益和評級選擇的,因此不用擔心網絡算力會集中到兩個或三個礦場中。相反,任何人都可以成為一個節點,由于這個網絡只需最少的資源來讓活躍節點參與,區塊鏈仍然是真正去中心化的。

自適應狀態分片包括網絡/通信、交易/計算和狀態/存儲的分片。要想對自適應狀態分片所包含的內容有深入了解,了解每種分片形式的目的是很重要的。

網絡/通信分片:數據(消息)是跨分片分區的。

Elrond網絡集成了所有三種形式的分片,這使得網絡擴展可以跟驗證者和分片的數量成正比。

元鏈(Metachain)協調分片,并確保在更多節點加入網絡時激活新的分片。分片可以被無縫添加,因為錢包通過分層二叉樹模型在分片之間進行劃分。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,刪除后續分片會將地址空間從兄弟分片合并回父分片。

Elrond網絡允許將交易從一個分片發送到另一個分片。由于網絡使用異步模型,驗證和處理首先在發送方分片中進行,然后在接收方分片中進行。當交易被調度時,元鏈通過創建和提出新的元區塊(元鏈上創建的區塊),并公證從發送分片中來的區塊確保它的安全。

在跨分片交易中,接收分片從元區塊中獲取交易的相關分片區塊的哈希(在分片中創建的區塊,而不是元鏈中創建的區塊哈希）,請求發送分片中的分片區塊,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行相同的分片區塊,并將此分片區塊發送到元鏈中成為元區塊。一旦這一點被元鏈公證,交易就最終完成。

Elrond網絡是高度專注的研究和開發的成果,也是各種新型區塊鏈基礎設施解決方案實施的結果。每一層都發揮著至關重要的作用——從處理網絡吞吐量到通信或驗證網絡交易。該網絡能夠通過其本地使用自適應狀態分片來增加新的分片,從而擴大某些層的容量。安全權益證明(SPOS)共識確保：在區塊鏈具有去中心化的性質,實施區塊驗證資格的權益和評級系統,以及區塊提出者和驗證者的可證明地隨機選取，三種方法結合的情況下,網絡仍然是安全的。

Elrond網絡堅持可擴展性、去中心化和互操作性的原則。由于每個分片能夠每秒處理3750筆交易,并確保即使是一臺簡單的筆記本電腦也能運行一個節點,因此網絡符合可擴展性和去中心化的原則。此外，其虛擬機與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和應用場景中，可輕松將其網絡轉移到Elrond。

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