分片技術探索:Shardeum的新突破

2022年9月15日,以太坊完成了備受矚目的合並(Merge)。這標志着以太坊從工作量證明(PoW)過渡到權益證明(PoS)共識機制。然而,合並並不會直接帶來更高的可擴展性、安全性和可持續性。真正能實現這些目標的是一整套解決方案:具有分片能力的主網搭配增強可擴展性的Layer2方案。

分片是可擴展性三難困境下的一種擴容解決方案。它通過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。這種方法類似於超市開設多個結帳通道,可以直觀地減少排隊時間和提升效率。

然而,分片技術的實施過程中仍面臨諸多挑戰。本文將梳理分片技術的發展脈絡,比較現有的分片解決方案,並探討一種新的可行方向:Shardeum與動態分片。

一、關於"分片"

從以太坊作爲坐標系原點出發,區塊鏈的擴展性方法可分爲兩大類:

縱向擴容(Vertical Scaling): 通過提高系統現有硬件性能實現。這種方式簡單有效,但會限制網路的去中心化水平。

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

每種擴容方案都在不可能三角中尋求平衡,配合系統的經濟激勵機制設計,達到宏觀和微觀層面的平衡。

分片技術面臨的關鍵問題包括:

1. 網路分片:如何確定全網節點/驗證者屬於哪個分片?
2. 交易分片:如何確定每筆交易分配給哪個分片?
3. 狀態分片:區塊鏈數據如何在不同分片中存儲?
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,由各個分片處理鏈上交易,爭奪記帳權。主要挑戰是隨着節點被劃分,攻擊者的難度和成本會直線下降。

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。例如以太坊採用隨機從所有驗證者中選出某個分片的驗證者,並每6.4分鍾更換一次。

交易分片(Transaction Sharding)

交易分片是指制定"哪些交易分配到哪些分片"的規則。不同帳本模型對交易分片的實現有影響:

UTXO模型:需要跨分片通信。一種可能方式是根據交易的輸入值進行哈希,確定分片。

帳戶/餘額模型:只要將交易按發送者地址分片,就可以保證同一帳戶的多筆交易在同一分片處理,有效防止雙花。

狀態分片(State Sharding)

狀態分片指區塊鏈數據如何分配在不同分片中存儲。主要挑戰是跨分片交易的處理。

有兩種思路:

1. 同步跨分片(Synchronous):每當執行跨分片交易時,相關塊同時發生。實現復雜但用戶體驗好。
2. 異步跨分片(Asynchronous):更廣泛採用,但面臨交易原子性的挑戰。

二、分片的探索與嘗試

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,即只進行計算分片,不進行網路和存儲分片。這種方法簡單有效,但網路帶寬和存儲仍是瓶頸。

靜態狀態分片

更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等採用這種方法。

以太坊的數據分片構想

以太坊對未來分片的構想包括:

1. 基於"數據可用性"的分片
2. 爲每個分片添加額外功能,使其更像今天的以太坊主網

Harmony

Harmony採用標準的分片方法,擁有多個稱爲分片的小型區塊鏈和一個協調它們的信標鏈。

網路分片:將驗證者網路分爲不同分片。 交易分片:交易由單個分片處理。 狀態分片:每個分片的驗證者存儲1/N的全局狀態。

Harmony支持跨分片消息傳遞,但具體實現細節尚待完善。

Elrond

Elrond採用自適應狀態分片和安全的權益證明共識機制。

它使用元鏈(Meta Chain)設計,可在幾秒內快速確定跨分片交易。跨分片交易策略使用異步模型,先在發送者分片處理,再在接收者分片處理。

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。

Near的跨分片交易需要在每個相關分片中連續執行。完整交易先發送到第一個受影響的分片,然後生成收據交易路由到下一個分片,依此類推。

三、Shardeum與動態狀態分片

Shardeum提出了兩種新穎的解決方式:

3.1 交易級共識

Shardeum網路上的共識在每個交易級別而不是塊級別完成,允許跨分片同時處理交易。這種交易級共識消除了確保原子處理所需的復雜性,可實現秒級finality和低延遲。

3.2 線性擴展

Shardeum使用動態狀態分片,每個節點可持有不同的地址範圍,覆蓋的地址之間存在重疊。這種方法復雜度更高,但允許真正的線性擴展。

通過地址空間和節點對應關係的動態變化,以及新的數據可用性證明,Shardeum可實現近似的"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。雖然仍在開發中,但底層Shardus技術已被證明可實現線性擴展。

2022年8月,Shardeum在測試網Liberty 2.0上展示了100TPS的能力。目前使用50個節點進行測試,每個節點存儲約1/5的總數據,執行1/5的總交易。

四、結語

真正可擴展的分片區塊鏈需要從頭構建。同樣,建立一個堅實的社區也需要長期努力。Shardeum測試網上線後,活躍的測試人數和交易數令人鼓舞,但也面臨一些質疑聲音。

我們相信,只有在Web3大規模採用時,高性能去中心化的公鏈才能脫穎而出。那些經歷質疑、公開討論和反復論證的社區,才能在去中心化道路上走得更遠。