分片技术可能是实现区块链扩展性的同时依旧能够使分布式账本技术保持隐私和安全特性的关键。但仍有一些障碍需要解决。

 

随着区块链在越来越多的试点项目中被推出,包括从跨境金融交易到供应链管理,但是一个长期性问题却仍然存在:缺乏可扩展性。  

随着越来越多的计算机加入对等网络,整个系统的效率通常会直线下降。  

可扩展性已经被认为是比特币和以太坊等加密货币的一个通病。如果分布式分类账想要让金融技术公司采用,并以当前数百倍的速度来与支付网络进行竞争的话,就必须找到一种方法来提高可扩展性和吞吐量,并解决延迟问题。  

分片技术的采用。  

分片技术是开发人员为提高事务吞吐量而正在探索的几种流行方法之一。简单地说,分片是一种分区方法,它会将计算和存储工作负载分散到对等(P2P)网络上,这样每个节点就不必同时处理整个网络的事务负载。每个节点只需要维护与其分区或分片相关的信息。  

分片中包含的信息仍然可以在其他节点之间共享,这使得分类账可以同时保持分散和安全性,因为每个人仍然可以看到所有的分类帐条目;他们只是不会同时处理和存储所有的信息。  

共识的难题  

公共区块链中的最持久的问题之一,就是围绕共识协议--如何就拟议的交易是否真实、是否应该添加到分布式账簿上,从用户那里获得一致性的意见;诸如最流行的工作量证明(PoW)机制就是一个高度计算密集型的共识协议。  

在基于PoW机制的区块链中,每个认证计算机或节点都会记录链中的所有数据,并作为协商过程的一部分。在比特币等大型区块链中,如果要将新交易添加到分类账中,大多数参与节点就必须对新交易进行身份验证并记录信息;这使得完成每一笔交易都变得异常缓慢而艰难。正因为如此,基于PoW的比特币每秒只能处理3.3到7笔交易,而完成一笔交易则可能需要10分钟。以太坊是另一种流行的区块链分类账和加密货币,每秒只能处理12到30笔交易。   相比之下,Visa的VisaNet则平均每秒能够处理1700笔交易。  

让每个节点都记录添加到区块链的新信息的好处是,数据总是无可争议的,不可更改的。基于PoW的区块链总是一次写入,并附加了许多应用程序;因此,它们是不可改变的。   Ethereum和Hyperledger是世界领先的区块链平台,也是无数应用程序的基础,从加密货币(如Ethereum的以太)到那些“智能”的或自动执行的在线合同。以太坊也正在探索分片技术,而Hyperledger则没有。  

“分片技术是一个起源于水平数据库分区的概念,目前正被以太坊采用。这样,就不是每个节点都必须处理所有事务,可以达到增强可扩展性的目的。”Gartner的副总裁兼杰出分析师AvivahLitan表示。  

去年,在区块链分类账和加密货币达到每天100多万笔交易之后,以太坊便开始探索提高性能的方法。  

以太坊提出了两个解决方案。一种是“第2层”机制--在标准数据库中处理链外事务,而只在分类账上记录永久性条目;另一个解决方案则是分片,以便能够同时并行处理更多事务。   第2层协议将大多数事务发送到链外处理,并且仅与底层区块链交互以便进入和退出第2层系统。第2层协议通过在局域网内或相邻广域网内的节点之间传输数据,减轻了P2P区块链网络的负担。  

在激活分片之后,区块链的“状态”被分为了分片或分区。Litan解释说,每个唯一的用户帐户都只存在于一个分片当中,并且帐户只能与同一分片中的其他帐户进行交易。“这使得许多并行事务可以同时发生,”她说。“然后便可以由以太坊选择的单独通信协议来实现分片之间的交叉通信。”  

分片安全吗?  

除了解决了可扩展性的问题之外,一些人认为分片技术还维护了区块链的本机安全性,因为它保留了“区块链大多情况下所需的分散和安全属性,”以太坊的创建者VitalikButerin在当时的一篇博客文章中写道。  

“从理论上讲,事务吞吐量的增加和分片数量是线性关系。四个分片就可以实现大约四倍的吞吐量。而你可以有任意数量的分片”。Linux基金会Hyperledger区块链项目的安全专家David Huseby表示。  

但是,Huseby也指出,最终细节将会决定成败。为了维护区块链的安全性,您必须防范分片被恶意接管。康奈尔大学发表的一篇研究论文称,破坏给定分片中的节点将导致相应数据的永久丢失。  

例如,在以太坊网络的模型中,节点必须随机分配给一个分片,并且在随机的时间内,将其重新分配给另一个随机选择的分片。  

”这个想法是为了让攻击者很难预测或强制将其(恶意的)节点分配给某个分片。这使得恶意接管任何一块分片都变得非常困难,”Huseby说。  

Huseby解释说,想要在Hyperledger区块链上面实现分片并不是那么简单的事情。  

“我们的区块链通常不像加密货币那样处理‘地址’。Hyperledger区块链专注于维护一个全局的状态(类似于数据库),共识机制负责对该状态的更新,而区块链则负责进行安全地存储状态更新,”Huseby说。  

Hyperledger网络也可以像以太网那样简单的使用分片,但由于它并不分割地址空间,所以可以尝试不同的分片技术。  

“如果我不得不割一个Hyperledger网络,我将首先利用事务验证和块构造之间的划分,”Huseby说。“事务验证比块构建要慢得多,所以我的第一步就是大幅增加事务验证器节点的数量。”   第二个挑战是处理“瘦”客户机(也称为SPV,简化的付款验证钱包),你需要确保这些节点在分割成分片时拥有区块链状态的全貌。为了解决与分片相关的可见性问题,瘦客户端可以通过单独的网络进行通信,并为每个分片维护一个本地状态的副本。  

最后,分片之间的通信也是一个挑战,因为每个分片是作为一个单独的区块链网络出现的。  

解决通信问题  

本月初,初创公司Devvio宣布,它已经创建了一个基于分片、第2层协议和高效共识机制的高效分布式账本协议,可以解决区块链网络所面临的所有主要问题。Devvio表示,该协议每秒可执行多达800万笔交易,可用于全球性的金融业务。     Devvio声称它可以有效地使用基于分片的独立区块链进行扩展。如果需要额外的吞吐量,随着时间的推移可以添加数千个分片,最终可以在全球公共区块链上实现每秒处理数千万个事务。  

在Devvio的“Devv”协议中,每个分片代表了一个单独的区块链分类账;该公司声称随着时间的推移,可以将数千个分片添加到全球公共区块链中,最终每秒可以处理数千万个事务。例如,每个分片都是Devv离散分类帐上的一个独立区块链节点,可以同时处理多达3,000个事务。Devvio的首席执行官Tom Anderson表示,添加另一个节点将使其能够处理的事务数量增加一倍。  

每个分片(也是一个加密钱包)都将成为一个更大网络上的输入,Devvio将这个网络称为T1网络;各个分片可以通过一个名为T2的独立事务网络与其他分片进行通信。  

Forrester Research的首席分析师Martha Bennett指出,几乎所有当前正在使用或打算使用分片技术的区块链框架都在以不同的方式执行着类似的功能。     PolyShard是一种分片解决方案,它利用编码理论的思想,同时在安全性、存储效率和计算效率方面实现了最佳平衡。其核心思想是节点不应该存储复制的数据;相反,它们应该只存储数据编码的线性组合。  

例如,在瑞士一家名为分布式技术研究基金会(DTR)的非营利性组织的赞助下,七所大学刚刚宣布,他们正在开发一种新的数字货币网络,试图通过分片来解决区块链的可扩展性和性能问题。  

“缺乏可扩展性阻碍了加密货币的采用,而我们的突破性研究正在解决这个问题,”DTR基金会的成员Joey Krug说。“Unit-e的开发人员正在将这项研究转化为一个真正能够解决可扩展性问题的解决方案,这将使大量分散的金融应用程序受益。”  

Unit-e正在使用一个名为“PolyShard”的“全新的分片方法”,这是一种存储和计算解决方案,能够在不牺牲安全性的前提下提高效率。其关键在于,PolyShard协议能够将来自不同用户和事务的数据混合在一起,并仍然允许精确的数据恢复,类似于服务器和存储系统上的虚拟化。   然而,到目前为止,其分片机制仍处于开发和测试阶段(从某种意义上说,还只是处于理论阶段),还在创建标准化的方法,希望能够同时解决可扩展性和性能问题。在将切分视为解决方案之前,必须首先解决这个挑战。  

Husebuy说:“分片并不是一个简单的可扩展性解决方案。有很多细节需要考虑,我们需要一些实践经验来配合这个理论,然后我们才能确认它的安全性。而在此之前,必须小心假设,这样攻击者就无法轻易的找到漏洞并绕过安全和共识机制。”

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