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以太坊分片詳解

msup / 2863人閱讀

摘要：本次以太坊分片技術(shù)的分享，主要是基于神在臺(tái)北做的一場(chǎng)關(guān)于分片的分享會(huì)。如有指正，請(qǐng)聯(lián)系微信為了提高可擴(kuò)展性，以太坊提出了兩個(gè)解決方案。是由為隨機(jī)函數(shù)選出的合法，其身份的合法性只在指定時(shí)間段和指定分片內(nèi)有效。

本次以太坊分片技術(shù)的分享，主要是基于V神在臺(tái)北做的一場(chǎng)關(guān)于分片的分享會(huì)。
如有指正，請(qǐng)聯(lián)系微信：wuqiong_blockchain

為了提高可擴(kuò)展性，以太坊提出了兩個(gè)解決方案。一個(gè)是建立分層結(jié)構(gòu)（Layer 2），把不必要的交易從最底層的主鏈分離到附屬結(jié)構(gòu)上，比特幣的閃電網(wǎng)也是這個(gè)思路。另一個(gè)便是分片技術(shù)（Sharding），著眼于改進(jìn)主鏈本身的協(xié)議來提高它的性能。

分片技術(shù)概覽

在現(xiàn)在的以太坊中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都要處理全網(wǎng)的交易。這就使全網(wǎng)的性能極大地受制于單點(diǎn)的能力。而分片之所以能夠處理更多的交易，是因?yàn)槊恳还P交易只由不同分片中這一小部分的節(jié)點(diǎn)看到和處理。這樣，全網(wǎng)中不同交易便可以由不同的分片中的節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間點(diǎn)上平行處理。這樣就大大提高了交易的處理效率。在這個(gè)模型當(dāng)中，主鏈（Main chain）依舊不斷形成。同時(shí)，不同的分片（Shard chain）中也會(huì)形成屬于本分片的鏈，甚至，分片中還可以二次分裂出新的分片鏈。每隔不固定的時(shí)間，分片會(huì)將當(dāng)前的分片鏈上最新區(qū)塊的的Markel Root/collation header 同步到主鏈上。在最新公布的算法中，每次只能同時(shí)分裂出最多100個(gè)分片。

V神所構(gòu)想的分片技術(shù)有六個(gè)階段。當(dāng)前所實(shí)現(xiàn)還只是第一階段。第一個(gè)也是最簡單的分片技術(shù)，就是把系統(tǒng)切分成獨(dú)立的數(shù)據(jù)片。只是做了網(wǎng)絡(luò)的分片和交易的分片，并沒有真正實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的分片。

分片技術(shù)詳解

要了解一下有關(guān)分片技術(shù)的細(xì)節(jié)，首先我們先來了解分片中幾個(gè)關(guān)鍵的角色。

Proposer

Proposer是交易池的維護(hù)者。負(fù)責(zé)為proposal（collationheader）做準(zhǔn)備而收集交易，并負(fù)責(zé)廣播collation body。任何人都可以成為proposer。

Collator

Collator是由為隨機(jī)函數(shù)選出的合法collator，其身份的合法性只在指定時(shí)間段和指定分片內(nèi)有效。它的主要作用就是collates the
proposal以建立collation。Collator從所有分片的collator pool中選出。

Executor

Executor執(zhí)行狀態(tài)交易函數(shù)。其實(shí)proposer也應(yīng)該是executor，都是擁有獲取交易所花費(fèi)gas和選擇高手續(xù)費(fèi)的交易等能力的身份。

Blobs & Chunks

collator區(qū)塊結(jié)構(gòu)

下面給出一張圖，從宏觀上來解釋交易的執(zhí)行流程：

下圖，再從細(xì)節(jié)上解釋交易的流程，同時(shí)引入一個(gè)非常重要的額概念：

SMC（Sharding Manager Contract）

SMC中包含隨機(jī)個(gè)collator pool，這些collator pool又分別來自于不同的分片中的當(dāng)前時(shí)間段中最新的collator。

分片技術(shù)的安全性

以太坊主鏈每個(gè)時(shí)間段新生成的區(qū)塊，都會(huì)將在此時(shí)間點(diǎn)之前的五個(gè)區(qū)塊打包在內(nèi)。這也被成為“LookAhead”。每個(gè)validator都會(huì)借由LookAhead來確認(rèn)在未來他們將負(fù)責(zé)驗(yàn)證的是哪個(gè)分片。也就是驗(yàn)證者是先得知會(huì)被劃分到哪個(gè)分片的。在指定時(shí)間段內(nèi)，每個(gè)區(qū)塊的驗(yàn)證者都會(huì)面臨新一輪的隨機(jī)選擇（共5個(gè)區(qū)塊，共五個(gè)validator）。當(dāng)?shù)竭_(dá)主鏈出塊時(shí)間，所有validator都會(huì)將已校驗(yàn)的交易發(fā)送到交易池中。檢驗(yàn)發(fā)起者需要向交驗(yàn)者支付激勵(lì)。交驗(yàn)者下載潛在的分片提案。驗(yàn)證者驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性，并挑選當(dāng)前分片中最新區(qū)塊，然后將collation header提交給主鏈。由礦工負(fù)責(zé)挖礦生成新的主鏈的區(qū)塊。

那分片技術(shù)是否能夠預(yù)防攻擊呢？假如遭遇攻擊，惡意節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證錯(cuò)誤的信息并提交主鏈挖礦。那么錯(cuò)誤的區(qū)塊就會(huì)在分片鏈中記錄下來。是否這樣的攻擊就已成定局了呢？

答案是不是的。

因?yàn)閭€(gè)區(qū)塊的交驗(yàn)者都會(huì)面臨一次隨機(jī)重選。惡意節(jié)點(diǎn)不會(huì)每次都拿到打包權(quán)。那么，當(dāng)正直節(jié)點(diǎn)在惡意節(jié)點(diǎn)之后被選中，在驗(yàn)證數(shù)據(jù)有效性時(shí)，就會(huì)察覺到有不可信信息，那么他就會(huì)追溯到腐壞解區(qū)塊分片頭的上幾個(gè)區(qū)塊，將正確信息提交到主鏈并在此分片鏈上分叉。此次作惡也就失敗。

此處留一個(gè)問題，供大家思考：

如果該分片內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)合謀作惡呢？
那么是否還有可能發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤信息？

（雖然我們知道每個(gè)申請(qǐng)作為validator的人都會(huì)提交對(duì)應(yīng)的質(zhì)押，
惡意者自身利益與全網(wǎng)利益有互相關(guān)系的特點(diǎn)，
但仍假設(shè)作惡收益大于作惡懲罰呢？。。。）
簡介系統(tǒng)角色和模型

系統(tǒng)中主要有兩種角色。

一種是常規(guī)Executor，包括Executors和proposors。他們負(fù)責(zé)：

旁觀指定的分片

狀態(tài)變更

都可能獲得相應(yīng)的交易手續(xù)費(fèi)收益

一種是輕客戶，負(fù)責(zé)：

驗(yàn)證最新頭部

旁觀指定分片

系統(tǒng)中主要有兩種狀態(tài)模式：

一種是有狀態(tài)
一種是無狀態(tài)
分片中的客戶端組件

分片開發(fā)規(guī)劃

basic Sharding without EVM

EVM狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)

輕客戶端狀態(tài)協(xié)議

跨分片交易

與主鏈安全的緊耦合

超二次分片

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