前言：对于区块链来说，去中心化的本质是要达成安全。因此，去中心化是其根本属性，是不能被妥协的一个属性。那么，如何在不牺牲安全的情况下实现扩展？目前来看，分片是一条少有的能够兼顾安全和扩展性的道路。本文作者RomiKumar以Elrond为例，框架性地分析了兼顾安全的分片扩展路径。本文由“蓝狐笔记”社群的“Cipher”翻译。
当你将一个大型数据库划分为许多更小、更快且更易于管理的部分时,它在外行术语中被称为"分片"。这只是意味着你有一个大数据库,你分解成许多小型的数据库,可以在许多服务器上扩散。
关于区块链验证机制的实现问题，人们有些过度担心了。通过分片,验证过程只会得到加强。通过这一过程,只有相当小的一组节点(又名分片，而不是整个网络节点)将对每个交易进行验证。
在区块链的情况下,场景并没有那么复杂。区块链网络在逻辑上被划分为多个较小的节点或分片。当用户创建交易时,分片的验证将由分片组中的节点执行。然而，有些比普通的分片更聪明更有潜力的东西,它的名字叫自适应状态分片。
使用自适应状态分片技术，每个分片每秒能够进行3750笔以上的交易，如Elrond。
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为什么叫自适应？
当吞吐量增加时,新的分片会自行激活,这都得益于其自适应特性,在区块链中实现线性的可伸缩性。
该网络已开发近两年。与此同时,人们对区块链的兴趣也在增加,因此投入的资源也在增加;因此,在现有的基础设施上,特别是以太坊已经有了令人难以置信的发展。网络基础架构的第三个支柱是互操作性。
其区块链服从以太虚拟机(EVM)。由于以太坊一直是许多独立区块链开发人员的基础,因此对于试图寻求扩展性的已有项目来说，该网络将是最具吸引力的解决方案。为了进一步简化项目利用以太坊网络的流程,Elrond区块链提供了与以太坊ERC-20代币标准的反向兼容性。
该网络在真正去中心化的网络中提供可扩展性、安全性和互操作性。该项目的测试网络将很快上线,开发者将有一个早期的构建机会,可以说,在迄今为止先进的区块链的基础上更上一层楼。
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下面是对该区块链的多层构成进行详细的阐述。
加密层
任何区块链的最底层基础都是加密层。这本质上是区块链的DNA,因为这一层是交易和区块验证条件的设计层。
该网络利用Schnorr方案进行交易签名和验证;使用Schnorr签名占用的数据空间更小。Schnorr方案不仅简单高效,还采用了经过充分研究和久经实战的算法。这种创建数字签名的方法已经存在于各种加密货币中,也有人建议将其集成到比特币网络中。
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由于区块验证需要来自多个验证者的聚合签名,因此需要多重签名方案。这样，该网络将使用Boneh-lynn-shacham(BLS)多重签名方案进行区块签名和验证。
核心和执行层
在区块链中,区块、交易和帐户都以数据的形式存在;所有这些数据都集中在区块链的核心中。网络核心中的数据模型可以实现临时或永久存储。
交易和地址以数据的形式存在;通过将数据模型与接入点分离,核心先缓冲(Buffer)交易,然后才能将它们打包进区块。
这一层的执行方面是确保一旦数据输入得到验证,区块链就会写入交易。执行层处理交易,然后将它们打包进区块;然后在所有节点上维护执行的交易和区块,以确保一致性。因此,执行层还在所有分片上并行维持节点同步;分片之间的同步是在元链(Metachain)上完成的。
通信层
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该网络是去中心化的协议,因此节点之间的有效通信至关重要。通信层的目的是用于消息传递和广播,也是用于通信的通道。
出于安全目的,网络从各种分片中随机重组节点。此外,所有节点都必须在交易吞吐量上保持同步。网络必须能够在分片的节点内和网络中的所有分片内中继通信,通信层可以实现这一点。使用分片内和跨分片通信通道还可确保网络正确处理复合交易。
简单地说,当核心层和执行层处理数据和传输时,在其处理完成后，通信层提供数据移动通道。
通信层确保节点连接,中继网络内数据的来回传输,为信息请求的提供通道,并处理在单个分片节点和跨网络中所有分片的区块、交易和收据的广播。通信基于来自IPFS中经高度优化的libp2p。网络分片可确保通信仅限于其在需要的地方使用。具体来说,分片内通信仅发生在感兴趣的节点之间。这就实现链之间的互操作性,而不会导致数据流瓶颈。
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共识层
区块链能够通过维持共识,作为安全和去中心化的网络运作。这是任何具有鲁棒性的区块链的基本属性。在核心层和执行层处理了网络功能并将其中继到分片后,共识层充当一种这样的机制,它可以确保吞吐量仅验证诚实数据。
网络的安全权益证明(SPOS)共识算法基于实用拜占庭容错(pBFT)。拜占庭错误是去中心化网络上的错误或不诚实的数据。顾名思义,pBFT的存在是为了确保共识层能够承受上述的错误。pBFT共识假定网络中不超过1/3的节点是恶意的。因此,在Elrond网络中,只有当2/31个验证者节点聚合签名时,区块才能被验证。
在SPOS机制中,每个分片都由验证者组成,验证者的资格是通过权益确定的,该权益在智能合约中持有,并有评级。较低的评级会降低验证者被选中的概率。对于每个区块,通过轮盘选择(roulette-wheelselection)随机选择一组新的验证者。随机选择的去中心化性质确保了攻击向量永远无法预测验证者是谁,因此他们无法知道占据哪些节点来发动攻击。
基于pBFT的领导者-跟随者模型(leader-followermodel),SPOS将验证者组中的第一个节点指定为区块提出者。因此,提出者和验证者都是随机选择的,从而使共识层能够为网络提供最佳的安全性。
SPOS的优点是,与pow不同,它是环保的。由于节点是根据权益和评级选择的,因此不用担心网络算力会集中到两个或三个矿场中。相反,任何人都可以成为一个节点,由于这个网络只需最少的资源来让活跃节点参与,区块链仍然是真正去中心化的。
自适应状态分片
自适应状态分片包括网络/通信、交易/计算和状态/存储的分片。要想对自适应状态分片所包含的内容有深入了解,了解每种分片形式的目的是很重要的。
交易/计算分片:交易分片这种机制被许多项目所追求。它解决了PoW的不足——每个节点都必须批准每个交易。在交易分片中,节点被拆分为不同的组(分片)并行处理交易。
网络/通信分片:数据(消息)是跨分片分区的。
状态/存储分片:区块链必须存储它们处理的交易的整个历史记录。状态/存储分片不是让每个节点存储所有数据的副本,而是将存储负担分配到不同的节点组(分片)之中。
Elrond网络集成了所有三种形式的分片,这使得网络扩展可以跟验证者和分片的数量成正比。
元链(Metachain)协调分片,并确保在更多节点加入网络时激活新的分片。分片可以被无缝添加,因为钱包通过分层二叉树模型在分片之间进行划分。添加分片会将父分片的一半地址空间传递给兄弟分片。同时,删除后续分片会将地址空间从兄弟分片合并回父分片。
跨分片交易
Elrond网络允许将交易从一个分片发送到另一个分片。由于网络使用异步模型,验证和处理首先在发送方分片中进行,然后在接收方分片中进行。当交易被调度时,元链通过创建和提出新的元区块(元链上创建的区块),并公证从发送分片中来的区块确保它的安全。
元区块包含有关每个分片区快的以下信息:发送方分片ID、接收方分片ID和分片区块哈希。
在跨分片交易中,接收分片从元区块中获取交易的相关分片区块的哈希(在分片中创建的区块,而不是元链中创建的区块哈希）,请求发送分片中的分片区块,分析交易列表,请求缺少交易(如果有),然后最终在本地分片中执行相同的分片区块,并将此分片区块发送到元链中成为元区块。一旦这一点被元链公证,交易就最终完成。
结语
Elrond网络是高度专注的研究和开发的成果,也是各种新型区块链基础设施解决方案实施的结果。每一层都发挥着至关重要的作用——从处理网络吞吐量到通信或验证网络交易。该网络能够通过其本地使用自适应状态分片来增加新的分片,从而扩大某些层的容量。安全权益证明(SPOS)共识确保：在区块链具有去中心化的性质,实施区块验证资格的权益和评级系统,以及区块提出者和验证者的可证明地随机选取，三种方法结合的情况下,网络仍然是安全的。
Elrond网络坚持可扩展性、去中心化和互操作性的原则。由于每个分片能够每秒处理3750笔交易,并确保即使是一台简单的笔记本电脑也能运行一个节点,因此网络符合可扩展性和去中心化的原则。此外，其虚拟机与EVM的兼容性提供了互操作性,确保在需要更高吞吐量的行业和应用场景中，可轻松将其网络转移到Elrond。
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