一文深入解析明星公链 NEAR 分片设计

NEAR 的分片方案如何解决状态有效性和数据可用性问题？原文标题：《夜影：NEAR 协议中的分片设计》撰文： Alex、一龙众所周知，以太坊作为迄今为止最广为使用的通用区块链，主网每秒只能处理不到 20 笔交易。在以太坊网络流行后，由于这个局限，导致了高昂的以太坊 gas 价格（gas 是以太坊网络上执行交易的费用）和过长的确认时间。尽管在撰写该文的时候，以太坊平均每 10 到 20 秒可以产出一个新块，然而根据 ETHGas 监测站的数据，一笔交易实际上要花 1.2 分钟才能加到链上。低产能，高费用和长延迟，都导致了以太坊不适合运行大规模使用的链上服务。以太坊低产能的主要原因是，每个节点都要处理全网的每一笔交易。开发者们提出了许多解决方案，试图在协议层面解决这个问题。这些方案主要分为两类：一类是把所有的计算工作交给数量有限的强力节点；另一类是让网络中的每个节点只做所有计算工作的一部分。前一种方案的例子是 Solana，系统中的每个节点通过细致的低层优化和 GPU 的使用，来支撑每秒几十万笔简单的支付交易。Algorand，SpaceMesh，Thunder 都可归入这一类；他们通过改进共识以及区块结构本身来超过以太坊的 TPS，虽然有一定的效果，但仍然受制于单台机器的处理能力。后一种方案，即把工作分给所有的参与节点。这种方法叫做分片。这也是当前以太坊基金会打算的扩展方案。撰写本文时，以太坊的分片规范还未定稿，最新的规范可以 点击查看。NEAR 协议基于分片搭建。NEAR 团队的成员包括：多位世界级电脑竞赛获奖者；若干前 MemSQL 工程师，负责构建分片、跨分片交易以及分布式的 JOIN；9 位前谷歌、脸书员工，他们在构建分布式系统方面等有着丰富的行业经验。本文重点阐述了区块链分片的通用方法，以及需要解决的主要问题，包括状态有效性和数据可用性问题。本文还提出了 NEAR 协议创新的夜影方案。关于分片的基础知识让我们从最简单的分片方法开始。举例来说，不同于运行一个链，我们运行多个链，每个链称为一个「分片」。每个分片有自己的验证节点集合。在下文里，不管是 POW 中挖矿的方式，还是投票机制，我们都会使用这个原生词汇「验证节点」，去指代那些进行交易验证和生产区块的参与者。同时，让我们先假设各个分片之间互不通信。这一设计，虽然简单，但却足够概括早期分片面临的一些主要挑战了。验证节点分区和信标链假设一个系统包含 10 个分片。第一个问题是，由于每个分片有自己独立的验证节点，现在每个分片的安全性都只有原先整条链的十分之一了。如果一个包含 X 位的非分片链决定硬分叉成一个分片链，X 位验证节点就会分布到 10 个分片上，每个分片现在仅有 X/10 位验证节点。攻击一个分片只需要买通 5.1%（51% / 10）的验证节点（见图 1）。图 1：分片之间分割后的验证节点这就带来第二个问题：谁负责为每个分片选择验证节点？如果 5.1% 的验证节点被攻破，但也只有在这些验证节点正好处于同一个分片时才有威胁...