分片技術探索:從以太坊到 Shardeum 的革新之路

2022年9月15日,以太坊完成了備受矚目的合並(Merge)。這次升級將以太坊從工作量證明(PoW)轉變爲權益證明(PoS)機制,但並未直接帶來更高的可擴展性、安全性和可持續性。實現這些目標需要更全面的解決方案,包括具備分片能力的主網以及增強可擴展性的Layer2方案。

分片是一種在可擴展性三難困境下的擴容解決方案。它將網路中的節點分成更小的組,處理不同的事務集並實現並行處理。通過分擔處理整個網路數據的負擔,分片可以提高處理效率,類似於商店增加收銀通道以減少排隊時間。

雖然分片的原理簡單直接,但在實施過程中仍面臨諸多挑戰。本文將梳理分片技術的發展方向和困境,繪制一張分片探索者的路線圖。同時通過比較現有的分片解決方案,找出共性問題,並提出一種新的探索方向:Shardeum與動態分片。

關於"分片"

從以太坊作爲坐標原點出發,我們可以將區塊鏈的擴展性方法分爲兩大類:

縱向擴容(Vertical Scaling): 通過提高系統現有硬件性能來實現。這種方式簡單有效,適用於對延遲敏感的場景,但會限制網路去中心化程度。

橫向擴容(Horizontal Scaling): 主要有三種思路:

1. 將交易計算量分散到多個獨立區塊鏈上
2. 模塊化區塊鏈,將基礎架構劃分爲執行層、數據可用性層和共識層
3. 將一條區塊鏈分成多個分片並行執行

這些擴容思路並非孤立存在,每種解決方案都在不可能三角中尋求平衡,配合經濟激勵機制設計,以達到宏觀和微觀層面的有效平衡。

爲討論"分片",我們需要從頭梳理幾個關鍵問題:

1. 如何確定全網節點/驗證者屬於哪個分片?即網路分片(Network Sharding)
2. 如何確定每筆交易分配給哪個分片?即交易分片(Transaction Sharding)
3. 區塊鏈資料如何在不同分片中儲存?即狀態分片(State Sharding)
4. 如何避免整個系統安全性的分裂?

網路分片(Network Sharding)

網路分片是指將區塊鏈網路分片,讓各個分片處理鏈上交易並爭奪記帳權。主要挑戰是,隨着節點被劃分到不同分片,攻擊者的難度和成本會大幅降低。

解決方案通常是構建一定程度的無偏隨機性,將攻擊者的成功概率降到最低。例如以太坊每6.4分鍾隨機選出某個分片的驗證者並進行輪換。

然而,區塊鏈中的隨機性本身就是一個具有挑戰性的話題。許多現有設計都開發了單獨的鏈來維護整個網路,如以太坊和Near的Beacon鏈,PolkaDot的Relay鏈,Cosmos的Cosmos Hub。

交易分片(Transaction Sharding)

交易分片是指制定規則決定將交易分配到哪些分片。區塊鏈的帳本模型會影響交易分片的開發。

目前存在兩類主要記帳方式:

UTXO模型: 典型代表是比特幣。在UTXO模型下,交易分片需要跨分片通信。一種可能的方式是使用哈希函數將交易分配到不同分片。

帳戶/餘額模型: 代表如以太坊。只要將交易按發送者地址進行分片,就可以保證同一帳戶的多筆交易在同一分片中處理,有效防止雙花。因此,大多數採用分片技術的區塊鏈都採用帳戶帳本系統。

狀態分片(State Sharding)

狀態分片指區塊鏈資料如何分配在不同分片中儲存。這是分片技術最大的難題,因爲在分片機制下,交易會根據地址分配在不同分片處理,狀態只會儲存在其地址所在的分片中。

主要挑戰是處理跨分片(Cross-Sharding)交易。例如,A帳戶轉帳給B帳戶,而兩個帳戶位於不同分片。這種情況下需要跨分片通信,可能降低交易處理效率。

有兩種主要思路解決這個問題:

同步跨分片(Synchronous): 也稱緊耦合(Tight Coupling)。每當執行跨分片交易時,相關塊同時發生,各分片節點協作執行交易。

異步跨分片(Asynchronous): 也稱松耦合(Loosely Coupling)。這種方式應用更廣泛,如NEAR、以太坊、Cosmos、Kadena等。最大挑戰是確保交易的原子性。

分片的探索與嘗試

我們將回顧幾個知名公鏈的分片技術解決方案,以此探討Shardeum的創新性。

計算分片

Zilliqa是最早嘗試分片的智能合約平台之一。它採用計算分片的方式,將驗證交易的工作劃分到不同分片。但由於每個節點仍接收所有交易並更新所有帳戶狀態,網路帶寬和存儲操作仍是瓶頸。

靜態狀態分片

更爲通用的分片方法是將帳戶地址空間劃分爲固定大小的分片,並將節點分配給不同分片。Near、Elrond和Harmony等平台採用這種方法。

以太坊的數據分片構想

以太坊計劃實施數據分片以增加可用性。一種方案是基於"數據可用性"的分片,使用"數據可用性抽樣"確認所有數據是否可用。另一種方案是爲每個分片添加額外功能,使其更像當前的以太坊主網。

Harmony

Harmony採用標準的分片方法,擁有一個信標鏈協調多個分片。它使用有效權益證明(EPoS)機制和安全的隨機分片技術,將大戶質押的代幣分散到多個分片,防止單一分片被攻擊。

Elrond

Elrond採用自適應狀態分片,動態調整分片數量。它使用安全的權益證明共識機制,並通過元鏈(Meta Chain)實現快速的跨分片交易確定性。

Near

Near提出了夜影協議(Nightshade),將系統建模爲單一區塊鏈,在塊級別進行分片。它沒有分片鏈,而是所有區塊生產者和驗證者都在構建一個主鏈。

Shardeum與動態狀態分片

Shardeum提出了兩種新穎的解決方式來應對現有分片技術的局限性:

交易級共識

Shardeum結合法定人數證明(PoQ)和權益證明(PoS),在交易級別而非塊級別完成共識。這允許跨分片同時處理交易,消除了確保原子處理所需的復雜性。

線性擴展

Shardeum使用動態狀態分片,允許每個節點持有不同且重疊的地址範圍。這種方法復雜度更高,但實現了真正的線性擴展。

Shardeum目前擁有10個分片,每個分片128個節點,共1280個節點。2022年第四季度,主網預計上線。在測試網Liberty 2.0上,Shardeum已展示了100TPS的能力。

結語

真正的分片和可擴展區塊鏈需要從頭開始構建,同樣,一個強大的社區也需要持續努力。Shardeum的測試網上線後獲得了廣泛關注,雖然也面臨質疑,但我們相信進步之路總是曲折的。

正如古語所言,"國有六職,百工與居一焉。或坐而論道,或作而行之"。Jsquare希望更多建設者加入去中心化與分片的探索中。我們相信,只有在Web3大規模採用時,高質量高性能的去中心化公鏈才能脫穎而出。那些經歷質疑、討論和反復論證的社區,才能在去中心化道路上走得更遠。