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以太坊的分片与Casper

wxf2017
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纵观区块链发展历程,以太坊以图灵完备的EVM,引领了区块链2.0的发展,这是不争的事实,当然,以太坊不是完美的,但是V神和他的团队在区块链技术领域的权威有着高度共识,文章想聊聊v神以及他的团队如何操刀以太坊2.0版本。
  z3 X- Q* U( F& Y分片! x0 w% I& s# G) Z1 i
交易拥堵一直是每个主链致力解决的问题,虽然以太坊的TPS对比比特币有了很大的提升,但是在技术快速更迭的区块链世界,依然面临着巨大的竞争压力,于是以太坊2.0希望在当前主链上扩容,不依赖超级节点,希望能达到数千级别TPS以提高以太坊基础公链底层竞争力。! o3 Y- ^. M% O" U
分片后会有哪些问题呢,当然会有很多问题,分片后世界账本如何保持一致?每个分片采用什么共识?
$ y  _/ t4 V' i  E5 v: O. o0 w" D1、一次性分片提案' y( g; G1 c% ~
假设1个节点能处理N个交易,那么主链能追踪N个分片,每个分片都能处理N个交易 ,所以系统一共能处理N^2个交易。因此这个提案叫做一次性分片。7 J5 t3 I/ n! {1 B# G/ Z+ a" i
假设变量 c 表示一个节点的有效计算能力,那么在1个普通的区块链里,交易容量就被限定为 O©,因为每个节点都必须处理所有的交易。二次方分片的目的,就是通过一种双层的设计来增加交易容量。第一层不需要硬分叉,主链就保持原样。不过,校验器管理合约(validator manager contract,VMC)需要被发布到主链上,它维持分片系统。这个合约中会存在 O© 个分片(目前为 100),每个分片都像是一个独立的“银河”:它具有自己的账户空间,交易需要指定它们应该被发布到哪个分片中,并且分片间的通信是受限的(事实上,在第一阶段,不存在这种通信能力)。
5 h( s" L7 A) }5 }5 l2、世界状态如何保持一致性! i- R( H- R7 ~
分片后,首先要解决的问题是,如何将不同片区的交易导致的账本状态收敛到唯一的世界账本中,以太的账本基础数据结构是MPT(前缀树结合默克尔树的优化),如图:. f7 \) {$ `5 {. c
8 w) g6 U- D, k  }
我们知道,树这种数据结构是可以拼接的,如上图中,假如我们把第一层,一个块的stateroot作为另一颗树的子节点,那么这整条链降到了第二层,而这并不影响这棵树的任何属性,只是这时候第二层的块要换个名字,以太坊2.0叫它Collation:0 n. a6 ~" T. e) Y1 ^, v+ p' u% i; x
4 B: D( [0 M% V0 S- ~
我们来看看V神的账本结构图:+ I# v( d' M, n& o& {, q; b

, }; R4 o, K# m* Q5 z: [/ S6 o当然,同一个用户在同一个时间段内,只能分配到同一个片区内,交易需要指定它们⾃⼰应该被发布到哪个分⽚中。
# G% y6 V% B) Y2 C而如前文所说,第一层中依然使用pow共识不变,只是这时块中的state_root是有众多的shard state root 收敛而来。块中不同片区的交易的执行,验证,世界账本的演化得到并发的执行,TPS 得到提高。4 Y0 E' O  h# n' \" i0 H
当然这里仅仅是从账本的数据结构来分析,分片后,世界账本如何既保证一致性,又能够很好的支持并发。保证世界账本的一致性,还有很多重要的问题要考虑,例如最长链选择策略等。
3 W1 s+ X6 m2 b% e3 casper6 }( t4 C8 x: d
3.1每个分片要用什么样的共识?
, ~5 }2 s& X$ P1 h6 p) O% z4 {: j我们知道以太坊当前使用pow共识,抛去算力挖矿导致的电力浪费,温室气体排放,继而让大家觉得世界都不太美好了,那么pow除了排放温室气体,它能够用作分片片区中的共识算法吗?
7 R! ?% D* G% u) p. t2 F* p3 O8 I! U9 E5 o/ J) r
分片意味着每个片区的节点数变少了,这让原来控制全网51%的算力几乎不可能变的没那么难了。显然不合适,就像大家知道的,pos成为了候选者。( V9 Q/ @/ j! L
当然在pos一开始被提出后,国内外很多项目一拥而上,但是现在存活下来的不多了,为什么呢,我们举两个导致使用pos系统性死亡的充分非必要例子:: ]8 U6 k: o& U$ q, T6 \
无厉害攻击问题。
- J4 R1 O$ F; m; Q- g远程攻击问题。1 _( a# F- x/ [7 R" P& X5 e
我们来看一下无厉害攻击问题。
/ K+ R) a" n6 ]  {" G+ K! b: O⽆利害关系
7 B! \3 _- ~% v. ~! K早期的Pos机制下,只考虑到奖励,没有对应的惩罚机制,产块者倾向于两个分支都添加,因为它不用付出额外的代价,但是增加了收益概率:, m- v% L' E9 `
9 Z! X& R8 Z  D! E3 B
在工作量证明中,这么做需要将算力一分为二,因此会影响收益:# r) G! M. D! O: k% |2 q
; v1 _4 X2 t) _
引入惩罚机制后:  w+ @: f5 E$ M. `7 r# |
远程攻击问题:
6 B7 z. ^3 E8 t5 V3 D4 Q) G
5 B/ `- d+ M: |/ O1 ]% C如果某个时刻,网络中的大多数人从一个“历史久远的块”开始分叉怎么办?
& m9 H; \3 c$ Q2 ^9 G0 W: `$ C% E8 P9 j所以我们需要一个协议去解决这些问题,这个协议就是casper,casper中定义了两个重要的惩罚消减条件:* h$ V5 o$ a6 r& ?5 O5 U  _
. N4 x7 z8 T2 S8 t% O  p3 U, }
; u, G5 b: y1 |& U. A
Casper的白皮书对相关的安全性证明给出了详细的解释,这里不做累述,当然使用pos,还有很多问题需要考虑,例如大多数节点的生命周期管理,casper也提出了动态验证集概念,去解决对应的问题。
7 F: N6 {9 c! Y5 ]% q  T  }概括来说,在pow世界里,高昂的算力成本付出,让矿工自觉地向最长链收敛,那么在去算力的世界(pos)里,如何让产块者遵循统一的最长链选择策略?我们需要制定规则,以太坊2.0采用pos+BFT类共识,对相关的规则(casper)达成最终共识,解决这些致命的问题,而BFT类共识有需要N^2的通信代价,节点扩展性受到制约,这也是为什么分片(每个片区节点数有限)被选择作为以太坊2.0的扩容方案。
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