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分片是以太坊可扩展性的未来,它将是辅助生态系统支持每秒数千笔生意的要害,它还允许天下上的大部门区域可以以肩负得起的成本定期使用该平台。然而,它也是以太坊生态系统和更普遍的区块链生态系统中被误解较多的观点之一。它指的是一组具有异常特定属性的头脑,但现在它经常被与具有平安性较弱属性的手艺合并在一起。这篇文章的目的是注释分片提供了哪些特定的属性,它与其他不分片的手艺有什么差异,以及一个分片系统必须做出哪些牺牲来实现这些属性。

以太坊分片版本的众多形貌之一。原始图由Hsiao-wei Wang绘制,Quantstamp设计。

可扩展性三难逆境

形貌分片的最佳方式应该是从设计并启发解决方案的问题陈述最先:可扩展性三难逆境。

可扩展性三难逆境示意区块链试图拥有三个属性,若是坚持使用“简朴”手艺,那么我们只能获得这三其中的两个。这三个属性划分是:

现在我们来看看这三类“简朴解决方案”,通常只能获得其中的两个:

  • 高TPS链:包罗DPoS家族,也包罗许多其他类似的。它们依赖于少数节点(通常是10-100个)来维持相互之间的共识,用户必须信托其中的大多数节点。这是具有可扩展性和平安性的,但它不是去中央化的。

  • 多链生态系统:这是指“横向扩展”的一样平常观点,通过在差其余链上运行差其余应用程序,并使用跨链通讯协议在它们之间举行通讯。这是去中央化和可扩展的,但它并不平安,由于攻击者只需要在众多链中的一个里获得多数共识节点即可损坏该链并可能引起连锁反映,对其他链中的应用程序也会造成伟大损害。

分片是一种可以同时知足这三种需求的手艺。一个分片区块链是:

  • 可扩展:它可以处置比单个节点多得多的生意。

  • 去中央化:它完全可以在通俗条记本电脑上“生计”,不依赖任何“超级节点”。

  • 平安:攻击者无法以少量资源攻击系统的一小部门;他们只能试图控制和攻击整个事物。

本文的其余部门将形貌分片区块链是若何做到这一点的。

通过随机抽样举行分片

最易明晰的分片是通过随机抽样举行的分片。与我们在以太坊生态系统中构建的分片形式相比,通过随机抽样的分片有更微弱的信托属性,但它使用了更简朴的手艺。

其焦点头脑如下。假设我们有一个包罗大量(例如 10000 个)验证者的权益证实链,而且同时有大量(例如 100 个)需要验证的区块。没有一台盘算性能够壮大到在下一组区块进入之前验证所有这些区块。

因此,我们所做的就是将验证事情随机地举行拆分。我们随机打乱验证者列表,让已打乱列表中的前100个验证者来验证第一个区块,让已打乱列表中的后100个验证者来验证第二个区块,以此类推。这种被随机选择来验证一个区块(或执行一些其他义务)的一组验证者被称为委员会。

当验证者验证一个区块时,他们会公布一个署名来证实他们已经这样做了的事实。其他所有人,不再验证100个完整的区块,现在只验证10000个署名,这样事情量会小得多,尤其是使用 BLS signature aggregation。每个区块不是通过相同的P2P网络广播,而是在差其余子网上广播,节点只需要加入它们卖力(或出于其他缘故原由感兴趣)的区块对应的子网。

试想一下,若是每个节点的盘算能力都增添了2倍会发生什么?由于每个节点现在可以平安地多验证2倍的署名,以是我们可以削减最低质押存款规模,以支持2倍多的验证者,届时,我们就可以确立200个委员会,而不是100个。同时,每个slot可以验证200个区块,而不是100个。此外,每个单独的区块可以是原来的两倍大。因此,我们将拥有2倍巨细的2倍区块,或多于4倍的链容量。

我们可以引入一些数学术语来讨论发生了什么。使用大O示意法,我们用“O(C)”示意单个节点的盘算能力。传统的区块链可以处置O(C)巨细的区块。如上所述的分片链可以并行处置O(C)个区块(每个节点间接验证每个区块的价值是O(1),由于每个节点只需要验证牢固数目的署名),每个区块的容量为O(C),因此分片链的总容量为O(C2)。这就是为什么我们称这种类型的分片为二次分片,而这种效应也是为什么我们以为从久远来看,分片是扩展区块链的最佳方式的要害缘故原由。

常见问题:分成100个委员会和分成100个自力的链有什么差异?

有两个要害的区别:

  • 随机抽样可以防止攻击者将他们的火力集中在一个分片上。在100条链的多链生态系统中,攻击者只需占总质押的约莫0.5%就能造成损坏。在一个分片区块链中,攻击者必须拥有靠近整个质押的30-40%才气完成同样的操作(换句话说,链具有共享平安性)。固然,他们可以守候,直到他们幸运地在一个分片中随机获得51%,只管他们拥有少于总质押的50%,但对于拥有远低于 51% 的攻击者来说,这将成倍增添。若是攻击者的低于 30%,那这件事险些是不能能的。

  • 慎密耦合:纵然一个分片泛起一个坏区块,整个链也会重组以避开它。有一种社齐集约(在本文档后面的章节中,我们将形貌一些手艺上实行这种合约的方式),就是一个分片中有一个坏区块的链都是不能接受的,应该在发现它时立刻抛弃它。从链内应用程序的角度来看,这确保了完善的平安性:合约A可以依赖于合约B,由于若是合约B由于链上的攻击而行为欠妥,整个历史都将被恢复,包罗合约A中由于合约B的故障而行为欠妥的生意。

这两种差异都确保了分片为应用程序确立了一个环境,该环境保持单链环境的要害平安特征,而多链生态系统基本无法做到这一点。

使用更好的平安模子改善分片

比特币圈子里一个常见的说法,也是我完全赞成的说法是,像比特币(或以太坊)这样的区块链并不完全依赖于老实的多数假设。若是对这样的区块链举行51%攻击,那么攻击者可以做一些很憎恶的事情,好比恢复或审查生意,但他们不能插入无效的生意。纵然他们恢复或审查生意,运行通俗节点的用户也可以很容易地检测到这种行为,因此,若是社区希望通太过叉来协调整决攻击,从而消除攻击者的权力,那么他们可以时迅速做到这一点。

缺乏这种分外的平安性是加倍中央化的高TPS链的一个要害弱点。这样的链没有,也不能能有通例用户运行节点的文化,以是主要节点和生态系统的介入者可以更容易地群集在一起,并强加实行一个社区异常不喜欢的协议更改。更糟糕的是,用户的节点将默认接受它。一段时间后,用户会注重到,但那时强制协议更改已成为既成事实:拒绝更改的协调肩负将落在用户身上,他们将不得不做出痛苦的决议。

理想情形下,我们希望有一种分片形式,可以制止 51% 的有用性信托假设,并保留传统区块链通过充实验证获得的壮大平安壁垒。这正是我们在已往几年中所做的大部门研究。

盘算的可扩展验证

我们可以将51%-attack-proof的可扩展验证问题剖析为两种情形:

  • 验证盘算:假设我们拥有盘算的所有输入,检查某些盘算是否准确完成。

  • 验证数据可用性:检查盘算输入自己是否以某种形式被存储,若是真的需要,可以下载它们;这种检查应该在不现实下载整个输入自己的情形下执行(由于数据可能太大,无法下载每个区块)。

在区块链中验证一个区块时,其中包罗盘算和数据可用性检查:我们需要确信区块中的生意是有用的,而且区块中声明的新状态根哈希是执行这些生意的准确效果,然则我们还需要确信区块中已经公布了足够的数据,以便下载该数据的用户可以盘算状态并继续处置区块链。第二部门是一个异常玄妙但异常主要的观点,称为数据可用性问题;稍后再详细说明。

可扩展的验证盘算相对容易;详细有两类手艺:敲诈证实和ZK-SNARK。

两种手艺可以简朴形貌如下:

  • 敲诈证实是一个接受盘算效果的系统,需要一个有质押存款的人签署一个新闻,内容为“我证实,若是你用输入X举行盘算C,你会获得输出Y”。在默认情形下,我们信托这些新闻,但我们也为其他已质押存款的人提供了挑战的时机(带有署名的新闻示意“我差异意,输出是Z”)。只在有挑战时,所有节点才会运行盘算。双方中任何一方的错误都将失去他们的存款,而且所有的盘算都取决于该盘算的效果将被重新盘算。

  • ZK-SNARK是一种加密证实形式,它直接证实了“对输入X执行盘算C会获得输出Y”的说法。这个证着实密码学上是“合理的”:若是C(x)不即是Y,在盘算上就不能能做出有用的证实。纵然运行 C 自己需要大量时间,证实也可以快速验证。

基于敲诈证实的盘算是可扩展的,由于“在正常情形下”,我们可以用验证单个署名来取代运行庞大的盘算。有一种破例情形,由于存在挑战,我们必须链上验证盘算,但这种破例情形异常罕有,由于触发它异常昂贵。ZK-SNARK在观点上更简朴——它们只是用更廉价的证实验证取代了盘算——但它们事情原理背后的数学原理要庞大得多。

有一类半可扩展系统,它只对盘算举行可扩展的验证,同时仍需要每个节点对所有数据举行验证。这可以通过使用一组压缩技巧来实现盘算取代大多数数据。这是rollup的领域。

数据可用性的可扩展验证加倍难题

敲诈证实不能用于验证数据的可用性。盘算的敲诈证实依赖于这样一个事实:在提交原始诉求的那一刻,盘算的输入就在链上公布了,因此,若是有人质疑,质疑执行发生在与原始执行发生的完全相同的“环境”中。在检查数据可用性的情形下,我们不能这样做,由于问题恰恰在于需要检查的数据太多,无法将其公布到链上。因此,数据可用性的防敲诈方案遇到了一个要害问题:有人可以声称“数据X是可用的”,但不公布它,守候挑战,然后公布数据X,使挑战者在网络的其他部门看来是不准确的。

这在渔夫逆境中获得了扩展:

其焦点理念是,对于那时没有试图下载特定数据的人来说,这两个“天下”是无法被区分的,一个是V1是邪恶的公布者,V2是老实的挑战者,另一个是V1是老实的公布者,V2是邪恶的挑战者。在一个可扩展的去中央化区块链中,每个单独的节点只希望下载一小部门数据,以是只有一小部门节点会看到发生了什么,除了存在分歧的事实。

无法区分谁对谁错的事实,使得我们不能能拥有一个有用的数据可用性防敲诈方案。

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常见问题:若是某些数据不能用怎么办?有了ZK-SNARK,你可以确定一切都是有用的,这还不够吗?

令人遗憾的是,有用性不足以确保准确运行区块链。这是由于若是区块链是有用的,但所有数据都不能用,那么用户就没有设施更新他们需要的数据,来天生任何未来区块是有用的证实。攻击者天生一个有用但不能用的区块,然后消逝,这可以有用地住手链。某些人还可以扣留特定用户的帐户数据,直到用户支付赎金,以是这个问题不仅仅是活跃度问题。

有一些强有力的信息理论论据以为,这个问题是基本的,没有什么巧妙的可用技巧可以解决它。

那么,若何在不实验下载的情形下检查1 MB的数据是否可用呢?这听起来不能能的!

要害是一项被称为数据可用性抽样的手艺。数据可用性抽样的事情原理如下:

  • 使用一种名为erasure coding的工具,将一个有N个块的数据扩展为有2N个块的数据,这样其中的任何N个区块都可以恢复整个数据。

  • 检查可用性,不用试图下载整个数据,用户只需在区块中随机选择一个牢固数目的位置(例如30个位置),只有当他们乐成地在他们选择的所有位置找到区块中的块时,才会接受区块。

纠删码将“检查100%可用性”(每一个数据片断都可用)问题转换为“检查50%可用性”(至少一半数据片断可用)问题。随机抽样解决了50%的可用性问题。若是可用的数据少于50%,那么险些可以一定至少有一个检查会失败,若是至少50%的数据可用,那么只管一些节点可能无法识别一个区块是否可用,但只需要一个老实的节点运行纠删码重构历程就可以恢复剩余的50%的区块。因此,不需要下载1MB来检查1MB区块的可用性,只需要下载几千字节。这使得在每个区块上举行数据可用性检查变得可行。

ZK-SNARK可以用来验证数据上的erasure coding是否准确,然后可以用Merkle分支来验证单个块。或者,也可以使用多项式准许(例如:Kate(又名KZG)准许),其本质上是在一个简朴的组件中举行erasure coding、证实单个元素和准确性验证——这就是以太坊分片所使用的。

回首:我们若何再次确保一切都是准确的?

假设我们有100个区块,而且想要在不依赖委员会的情形下有用地验证所有区块的准确性。我们需要做以下事情:

  • 每个客户端对每个区块执行数据可用性采样,验证每个区块中的数据是否可用,纵然整个区块的巨细为1兆字节或更大,每个区块也只需下载几千字节。客户端只有在其可用性挑战的所有数据都获得准确响应时才会接受一个区块。

  • 既然我们已履历证了数据的可用性,那么验证准确性就变得更容易了。有两种方式:

  • 1. 我们可以用ZK-SNARK。每个区块都有一个ZK-SNARK来证实准确性。

    2. 我们可以使用敲诈证实:一些已质押存款的介入者可以签署每个区块的准确性。其他节点,称为挑战者(或渔民)随机检查并试图完全处置区块。由于我们已经检查了数据的可用性,以是可以下载数据并完全处置任何特定区块。若是他们发现一个无效的区块,他们会公布一个每小我私人都验证的挑战。若是效果显示该区块是坏掉的,那么该区块和所有依赖于该区块的未来区块都需要重新盘算。

  • 在上述任何一种情形下,无论区块有多大,每个客户端只需要为每个区块做少量的验证事情。在敲诈证实的情形下,有时区块需要在链上举行完全验证,但这应该是异常罕有的,由于触发哪怕一个挑战都是异常昂贵的。

就以太坊分片而言,近期的设计是让分片区块只包罗数据;也就是说,分片纯粹是一个“数据可用性引擎”,使用该平安数据空间以及敲诈证实或 ZK-SNARK 来实现高吞吐量平安生意处置能力是第 2 层rollup的事情。然则,完全可以确立这样一个内置系统来添加“内陆”高吞吐量执行。

分片系统的要害特征是什么?折衷方案是什么?

分片的要害目的是尽可能地复制传统(非分片)区块链最主要的平安属性,但不需要每个节点亲自验证每笔生意。

分片异常靠近。在传统的区块链中:

  • 无效的区块无法通过,由于验证节点会注重到它们是无效的,并忽略它们。

  • 不能用的区块无法通过,由于验证节点无法下载它们,并忽略它们。

在一个具有高级平安特征的分片区块链中:

  • 无效区块无法通过,由于:

  1. 敲诈证实会迅速捕捉他们,并见告整个网络该区块的不准确性,并重办确立者;

  2. ZK-SNARK证实了准确性,我们不能为一个无效的区块确立一个有用的ZK-SNARK。

  • 不能用的区块无法通过,由于:

  1. 若是一个区块的可用数据少于50%,那么对于每个客户端,至少有一个数据可用性样本检查险些一定会失败,这将导致客户端拒绝该区块;

  2. 若是一个区块至少有50%的数据可用,那么现实上整个区块都可用,由于只需要一个老实节点来重构区块的其余部门就可以。

没有分片的传统高TPS链无法提供这些保证。多链生态系统无法制止攻击者选择一条链举行攻击并轻松地接受它的问题(链可以共享平安性,但若是这一点做得欠好,它将酿成事实上的传统高TPS链,具有所有的瑕玷,若是做得好,它将只是上述分片手艺的更庞大的实现)。

侧链高度依赖于实现,但它们通常容易受到传统高TPS链的弱点(若是它们共享矿工/验证者)或多链生态系统的弱点(若是它们不共享矿工/验证者)的影响。分片链可以制止这些问题。

然而,分片系统的装甲中有一些裂痕。值得注重的是:

  • 只依赖委员会的分片链很容易受到顺应性对手的攻击,问责制也更弱。也就是说,若是对手有能力实时入侵(或关闭)他们选择的任何一组节点,那么他们只需要攻击一小部门节点就可以损坏一个委员会。此外,若是一个对手(无论是顺应性对手照样仅仅是占50%的攻击者)损坏了一个委员会,只有很少的部门会被责罚。这就是为什么数据可用性抽样与敲诈证实或ZK-SNARK一起是随机抽样手艺的主要弥补的另一个要害缘故原由。

  • 只有当有足够数目的在线客户端配合发出足够的数据可用性抽样请求时,数据可用性抽样才平安,这些请求的响应险些总是重叠到至少占到50%的区块。在实践中,这意味着必须有几百个客户端在线(而且这个数字随着系统容量与单个节点容量的比率的增添而增添)。这是一种n中的少数信托模子——通常是相当可信的,但一定没有非分片链中节点的n中的0信托那么可靠。

  • 若是分片链依赖于敲诈证实,那么它依赖于时间假设;若是网络太慢,节点可能会在防敲诈程序泛起并注释它是错误的之前接受最终确定的区块。幸运的是,若是我们遵照在发现无效区块后恢复所有无效区块的严酷规则,那么这个阈值是一个用户设置的参数:每个用户选择他们到最终效果守候多长时间,若是他们不想守候足够长的时间,那么就遭受损失,更郑重的用户可确保平安。只管云云,这照样削弱了用户体验。使用ZK-SNARK验证有用性解决了这个问题。

  • 需要通报大量的的原始数据量,这增添了在极端网络条件下发生故障的风险。少量数据比大量数据更容易被发送。区块浏览器若是想要保留整个链,就需要存储更多的数据。

  • 分片区块链依赖于分片的点对点网络,每个p2p“子网”更容易被攻击,由于它的节点更少。用于数据可用性抽样的子网模子缓解了这一问题,由于子网之间存在一些冗余,但仍然存在风险。

这些都是值得关注的问题,只管在我们看来,通过允许更多的应用程序在链上运行而不是通过中央化的第二层服务来实现的用户级中央化的削减远远跨越了这些问题。也就是说,这些问题,尤其是后两个问题,现实上是将分片链的吞吐量提高到一定水平的真正限制。二次分片的二次性是有极限的。

顺便说一句,若是分片区块链的吞吐量变得太高,则其平安风险会越大,这也是为什么扩展到超二次分片的起劲在很洪水平上被放弃的要害缘故原由;看起来保持二次分片只是二次分片是一个不错的折衷方案。

为什么不中央化生产和分片验证?

经常被提出的一个分片替换方案是确立一个结构类似于中央化高TPS链的链,只不外它在上面使用数据可用性采样和分片来验证有用性和可用性。

这改善了现在存在的中央化高TPS链,但它仍然比分片系统弱得多。这有以下几个缘故原由:

  • 在高TPS链中,很难发现区块生产者的审查。审查检测需要 (i) 能够查看 每笔 生意并验证没有显著值得进入但无法进入的生意,或(ii)在区块生产者中有一个n中的1信托模子,并验证没有区块无法进入。在中央化的高TPS链中,(i)是不能能的,(ii)更难题,由于小节点数目使n中的1的信托模子更容易溃逃,若是链的区块时间对DAS来说太快(就像大多数中央化的高TPS链所做的那样),很难证实一个节点的区块没有被拒绝,由于它们都被公布得太慢了。

  • 若是大多数区块生产者和生态系统成员试图强行通过一项不受迎接的协议更改,用户的客户端一定会发现它,但对于社区来说,反抗和分叉都要困忧伤多,由于他们将需要启动一组新的异常昂贵的高吞吐量节点来维护一个保持旧规则的链。

  • 中央化基础设施更容易受到外部介入者的审查。区块发生节点的高吞吐量使它们异常容易被检测到,而且更容易被关闭。从逻辑上来说,审查专用的高性能盘算比追查小我私人用户的条记本电脑要容易得多。

  • 高性能盘算向中央化云服务转移的压力更大,这增添了整个链将在1-3家公司的云服务中运行的风险,因此,由于许多区块生产者同时失败,使得链的风险下降。具有在自己的硬件上运行验证者的文化的分片链也更不容易受到这种攻击。

适当的分片系统最好作为基础层。有了一个分片基础层,我们始终可以通过将其构建为rollup来确立一其中央化生产系统。然则,若是我们有一个依赖于中央化区块生产的基础层,则不能在其上构建加倍去中央化的第2层。

Source:https://hackernoon.com/demystifying-the-technical-properties-of-sharding-can-tell-us-why-it-is-great

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