详解ETH2.0的另一个重要技术特性:分片技术

2020-07-22 13:55 栏目:经验之谈 来源:网络整理 查看()

在本文中,我们将研究eth2.0的另一个重要特性:碎片技术。

第1层与第2层的可扩展性

对各种密码货币和假币系统的一个常见批评是可伸缩性。简而言之,如果密码货币和区块链技术将促进未来DeFi世界的发展,它必须能够支持数十亿人。可伸缩性技术主要分为以下几类——第1层和第2层。

第2层的可扩展性

这些是基于区块链的链外可扩展性解决方案。这里的想法是保持基础层的独立性,并在其上添加额外的架构。这一层处理复杂的计算,因此减少了基础层架构的瓶颈。雷电和等离子体是第2层可扩展性的例子,这将在以后的文章中讨论。

第1层的可扩展性

在区块链实施的可伸缩性技术称为第1层。增加块大小和切片是两种最著名的第1层可伸缩性技术。

分区数据库分割数据库

碎片化最初是一种将一个巨大的数据库水平分割成更易管理的块或片段的技术。看看这张桌子:

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你看到这里发生了什么吗?

有一个6行的大型数据库。通过分解,我们将它转换成三个更小的可管理的片段。这只能通过水平分区来实现。为了理解这一点,请考虑以下示例。

看看这张桌子:

详解ETH2.0的另一个重要技术特性:分片技术

让我们把桌子垂直分开:

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看到了吗?由于分区,该表变成了两个完全不同的表。水平分区只会将表更改为具有相同功能的较小的表。

同样的概念也可以延伸到区块链,在那里,链的状态被分成更小和更易管理的块,这些块被称为切片。

为什么使用碎片?

密码货币最大的问题之一是可扩展性,这是创建以太网2.0背后的核心原因。目前,以太网每秒可以处理不到25个事务,这是相当糟糕的。这种缓慢速度背后的原因是工作证明(POW)共识协议和这些密码货币的固有架构设计。

以太网2.0:排队过程VS并行过程

大多数隐币交易本质上都是排队的。想想交易是如何运作的:

1.发送方通过将交易发送到接收方的公共地址来发起交易。他们使用数字签名来签署交易。

2.挖掘者获得交易,验证签名,并检查发送者是否有足够的余额来完成交易。

3.然后他们将事务添加到他们的块中。

4.块被添加到区块链,然后事务被传递。

如你所见,整个过程非常有序。每一步都取决于前一步的正确完成。随着网络规模的扩大,这个问题变得更加复杂。

这就是为什么选择并行处理可能是更可行的选择。本质上,你可以在一个区块链中分解成多个切片,你可以把它们分解成几个平行的过程。

假设一个网络有三个节点——A、b和c。在队列模式下,每个节点必须独立验证数据集d。然而,随着碎片化,d将被分解成三个碎片D1、D2和D3。它们可以各自占据一个单独的切片并同时处理它们。即使我们只考虑三个切片,并行化也肯定能加速这个过程。

让我们把它扩展到以太网的大小,它目前有6970个节点。如果以最佳方式执行,总吞吐量将会大大提高。Eth 2.0最终将被分成1024个片段,它希望理论上可以将网络吞吐量提高1000倍。

托管节点的成本

接下来,让我们看看可扩展性的另一个方面。以太网是一个对等网络。没有集中式数据中心。整个网络依靠节点来完成自己的工作。在以太网中,每个单独的节点拥有与其他节点相同的权利和特权。在以太网,你可以是一个轻节点或一个完整的节点。

详解ETH2.0的另一个重要技术特性:分片技术

轻节点客户端是在其系统中下载区块链的一部分的节点。它可以在不下载和维护整个区块链的情况下验证交易执行情况。

全节点是指连接到主网络的任何系统,该系统已完全下载并定期维护区块链。它们几乎是以太网的主干,履行以下职责:

1.挖掘石块,或者确保为每个挖掘的石块提供正确的石块奖励。

2.全面执行网络的所有共识规则。

3.确保事务具有正确的签名,并且块的数据格式正确。

4.最后,它们最重要的功能是确保网络中不会有双花。

问题是以太网中的所有节点必须总是下载和维护整个区块链。这里的问题是,区块链以太网中的数据量非常大,接近1TB,因此传统节点越来越难以存储所有数据。

那么,分段在这里有什么帮助呢?根据GitHub上的官方Sharding FAQ,关键的想法是允许以太网每秒处理超过10,000个事务,而不强迫每个节点在硬件设备上花费数千美元。这就是为什么碎片技术可以很好地解决这个问题。每个节点的工作负载分布显著减少。

什么是以太博物馆碎片化?

最后,让我们看看分片在ETH 2.0中是如何工作的。区块链的整个国家被称为“全球国家”。状态被分解成片,每个片都有自己的状态。这些状态、切片和全局根构成了一棵默克树。

详解ETH2.0的另一个重要技术特性:分片技术

让我们看看发生了什么。树中的每一层都是从上层的一个节点派生出来的。

以太网2.0的碎片机制

切片激活后,会发生以下情况:

这个州被分成几个部分。

每个唯一的帐户都属于一个切片。

为了直观地了解其工作原理,让我们以敌无双的维塔利克布特林为例。

想象一下,以太博物馆已经分裂成数千个岛屿。每个岛屿都可以做自己的事情。每个岛屿都有自己独特的功能。属于该岛的每个人(即帐户)都可以相互交流,自由享受其所有功能。如果他们想联系其他岛屿,他们必须使用某种协议。

以太网2.0通过创建两个层次的交互来做到这一点。

第一层

分散交互的第一层是事务组。每个板块都有自己独特的交易群体。

该组进一步细分为事务组标题和正文。

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交易组标题

交易组表头有明显的左右两部分。

左侧部分包含以下组件:

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1.在本例中,事务组所属的碎片标识为“43”

2.状态之前的根,也就是说,在将事务放入该特定切片之前该切片的根的状态。

3.状态后根是事务组放入根后的根状态。

4.最后,还有一个收据根,用于确认交易组已进入根。

头的右边部分是一组随机选择的验证器,它们验证片内的事务。

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一级函数

到目前为止,我们已经看到了属于第一级的组件。让我们看看所有东西是如何组合在一起的:

每个事务都指定了它们所属的唯一碎片标识。

属于特定时段的事务发生在该时段的两个帐户之间。

级别还通过指定状态前根和状态后根来显示状态转换。

二楼

现在,让我们来看看ETH 2.0中的第二层碎片。你在上面的图片中看到的是一个标准的区块链,但是它有两个根而不是一个:

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状态根:还记得我们以前的默克树图吗?状态根是整个状态的根节点。

事务组根:块的所有切片中包含的所有事务组的根节点。

双层函数

这个层次就像一个简单的区块链,接受交易团体而不是交易。

仅当预状态根与全局状态中的切片根匹配时,才接受事务组。此外,交易组中的每个签名人姓名都需要验证。

事务组进入块后,其全局状态根(如块中所述)将成为片标识的后状态根。

跨片通信

好了,现在你知道碎片是如何工作的,它们是由什么组成的了。但是,以太博物馆需要做的最后一件事是让这些碎片成为它们自己的独立岛屿。这些片段之间必须有一种有效的交流方式。

为了让画面更清晰,让我们回顾一下巴特灵的岛屿隐喻。如果这些岛屿必须繁荣,它们需要使用特定的协议来有效地相互作用。此外,为了减少通信负担和成本,这些孤岛必须找到仅在需要时通信的方法。

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片段通信的原理是一样的。以太网开发人员需要回答一些问题,以确保有效的跨片通信:

1.在提供以太网所期望的相同安全性的同时,碎片如何相互通信?

2.碎片化如何在不影响安全性的情况下提供预期的大规模可扩展性?

以太网2.0的跨碎片通信

ETH 2.0的跨片通信协议是“接收范例”。

1.如上所述,集合中的每个事务都会在片段中生成一个收据。

2.ETH 2.0信标链将有一个分布式共享内存,用于存储这些收据。

3.其他片段可以在信标链中看到收据。因为区块链的永恒本质,他们不能篡改它。

4.因此,碎片化将在不影响终结性的情况下使彼此受益。

跨片通信的两个最大问题是操作复杂性和延迟。让我们来看看ETH 2.0是如何缓解这些障碍的。

#1消除复杂性

Vitalik Buterin提出了两个方案,即创建一个完全碎片化的以太网,它有一个“相对最小的共识层框架”,为开发复杂的智能契约框架提供了足够的支持。

这些建议将:

1.将多个任务和职责从单个切片转移到信标链。

2.确保切片有自己独特的状态和执行方式。

3.降低每个片段的复杂性并维护各种网络功能。

4.碎片化将具有足够的功能来创建一个执行环境,以支持碎片化、交叉碎片化通信和其他功能中的智能契约。

5.引入三种新的事务类型——新执行脚本、新验证器和撤销来完成这些任务。

新交易类型研究

NewExecutionScript创建一个可以保存ETH的执行脚本。

NewValidator向系统添加一个新的验证节点。

撤回会从信标链中移除身份验证节点。

通过执行脚本和接收系统授权来验证添加和撤销节点。

这些新的创新将使以太网能够跨片通信,并通过使用第2层抽象地交换所有以太网,并执行智能契约。

这消除了单个切片的所有复杂操作,并使它们尽可能简单。

#2通信延迟

为了理解这种延迟是如何发生的,我们来看看跨片通信是如何工作的:

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1.爱丽丝想从碎片甲向碎片乙发送一个令牌.

2.在这个事务中,令牌被烧录在分片A上,地址记录被保存。该值随后被发送到目标碎片B.

3.经过一段时间的延迟后,每个片段将通过流言蜚语知道其他片段的状态根。

4.一旦交易被碎片B验证,碎片B从碎片A处恢复令牌收据。

最后,碎片乙收到了碎片甲发来的令牌.

可以想象,这个过程会导致很多延迟,这会破坏用户体验,违背ETH 2.0的整体可伸缩性精神。维塔利科通过以下例子解释了这个问题的解决方案:

“…如果碎片B上有50个令牌,爱丽丝已经从碎片A向鲍勃发送了20个令牌,但是碎片B还不知道碎片A的状态,因此它无法完全验证传输。如果爱丽丝的转移是真的,鲍勃的帐户状态暂时变为“70个令牌”,并且能够验证碎片A和碎片B的节点几乎可以立即确定转移的“最终结果”(即,一旦转移在链中被验证,鲍勃的

该解决方案被称为“通过乐观接收根的快速跨片段传输”。

一旦转账被核实,交易:

如果它是有效的,它就成为永久的。

如果没有,请恢复。

碎片什么时候开始工作?

正确执行碎片化的最关键技术要求之一是公平证明的一致算法。原因是每个单独的片将具有原始以太网链的散列率的一小部分。但是,如果切片包含一个强大的挖掘池作为其验证节点,它可以完全接管系统并集中其操作。

阶段0

阶段0通过启动信标链和启动位置来实现。一旦满足以下条件,链将开始其成因模块:

至少有524,288个以太网抵押在网络上。

至少有16,384名核查员签署了该协议。

阶段1

这一阶段可视为“切片阶段”,将于2021年进行。区块链被分成64个片段链,它们并行运行,并不断地相互交流。到这个阶段结束时,以太网应该能够同时处理64个块中的事务。因为碎片化可以分散工作负载,所以可以大大减少主链的扩展。

阶段1.5

在这一阶段,信标链与主工作负载证明(POW)链集成在一起,创建一个新的位置链。如前一阶段所定义的,POW链最终将作为64个片段链之一而存在。

请记住,原始功率链的历史数据仍然存在,但是它将像其他片段一样存在,但是功率一致性机制将不再运行。

阶段2

这个阶段的细节还没有完善。然而,人们普遍认为,这一阶段将微调以太网账户、交易、转账的功能,并在新的链中无缝执行智能合同。

ETH 2.0片段:结论

可以想象,很难对无缝切片执行的不同功能进行微调,这就是以太网2.0分阶段启动的原因。然而,一旦实施,这将把以太博物馆带到一个前所未有的高度。对密码货币的最大影响是它缺乏可扩展性,这迫使新协议选择更集中的方法和机制。然而,通过碎片化,以太博物馆将能够在不影响权力下放的情况下显著扩大其规模。

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