Khái niệm cơ bản về Sharding

Hãy bắt đầu với cách tiếp cận đơn giản nhất để phân chia. Trong cách tiếp cận này thay vì đang chạy một blockchain, chúng tôi sẽ chạy nhiều cái và gọi mỗi cái đó là blockchain a “mảnh vỡ”. Mỗi phân đoạn sẽ có tập hợp validators riêng. Ở đây và dưới đây chúng tôi sử dụng thuật ngữ chung “validator” để chỉ những người tham gia xác minh giao dịch và tạo ra các khối bằng cách khai thác, chẳng hạn như trong Bằng chứng công việc hoặc thông qua cơ chế bỏ phiếu dựa trên 1Phần này đã được xuất bản trước đây tại https://near.ai/shard1. Nếu bạn đã đọc nó trước đây, chuyển sang phần tiếp theo.

cơ chế. Bây giờ hãy giả sử rằng các phân đoạn không bao giờ giao tiếp với nhau khác. Thiết kế này, mặc dù đơn giản, nhưng cũng đủ để phác thảo một số thách thức lớn ban đầu trong việc bảo vệ. 1.1 Phân vùng trình xác thực và chuỗi Beacon Giả sử hệ thống bao gồm 10 phân đoạn. Thử thách đầu tiên là với mỗi phân đoạn có validator riêng, mỗi phân đoạn hiện kém an toàn hơn 10 lần so với phân đoạn toàn bộ chuỗi. Vì vậy, nếu một chuỗi không được phân đoạn có X validators quyết định phân tách cứng thành một chuỗi phân đoạn và chia X validators thành 10 phân đoạn, bây giờ mỗi phân đoạn chỉ có X/10 validators và việc làm hỏng một phân đoạn chỉ cần làm hỏng 5,1% (51% / 10) trong tổng số validators (xem hình 1), Hình 1: Chia validator thành các phân đoạn điều này đưa chúng ta đến điểm thứ hai: ai chọn validators cho mỗi phân đoạn? Việc kiểm soát 5,1% trong số validator chỉ gây tổn hại nếu tất cả 5,1% trong số validator đó nằm trong cùng một phân đoạn. Nếu validator không thể chọn phân đoạn nào họ sẽ xác thực trong đó, người tham gia kiểm soát 5,1% trong số validator rất khó có thể nhận được tất cả validator của họ trong cùng một phân đoạn, làm giảm đáng kể khả năng thỏa hiệp của họ hệ thống. Hầu như tất cả các thiết kế sharding ngày nay đều dựa vào một số nguồn ngẫu nhiên để gán validators cho phân đoạn. Bản thân tính ngẫu nhiên của blockchain đã là một chủ đề rất khó khăn và nằm ngoài phạm vi của tài liệu này. Bây giờ hãy giả sử có một số nguồn ngẫu nhiên mà chúng ta có thể sử dụng. Chúng tôi sẽ thực hiện nhiệm vụ của validator trong chi tiết hơn ở phần 2.1. Cả tính ngẫu nhiên và phép gán validator đều yêu cầu tính toán không phù hợp cụ thể cho bất kỳ phân đoạn cụ thể nào. Đối với tính toán đó, thực tế tất cả hiện có các thiết kế có blockchain riêng biệt được giao nhiệm vụ thực hiện các hoạt động cần thiết cho việc duy trì toàn bộ mạng. Bên cạnh việc tạo ngẫu nhiêncác số và gán validators cho các phân đoạn, các thao tác này cũng thường bao gồm nhận thông tin cập nhật từ các phân đoạn và chụp ảnh nhanh chúng, xử lý đặt cược và cắt giảm trong hệ thống Proof-of-Stake, đồng thời tái cân bằng các phân đoạn khi điều đó tính năng được hỗ trợ. Chuỗi như vậy được gọi là chuỗi Beacon trong Ethereum, Rơle chuỗi trong PolkaDot và Cosmos Hub trong Cosmos. Trong suốt tài liệu này, chúng tôi sẽ gọi chuỗi đó là chuỗi Beacon. Sự tồn tại của chuỗi Beacon đưa chúng ta đến chủ đề thú vị tiếp theo, phân mảnh bậc hai. 1.2 Phân mảnh bậc hai Sharding thường được quảng cáo như một giải pháp có quy mô vô hạn theo số lượng của các nút tham gia vào hoạt động của mạng. Mặc dù về mặt lý thuyết có thể thiết kế một giải pháp sharding như vậy, bất kỳ giải pháp nào có khái niệm Beacon chuỗi không có khả năng mở rộng vô hạn. Để hiểu lý do tại sao, hãy lưu ý rằng Beacon chuỗi phải thực hiện một số tính toán kế toán, chẳng hạn như gán validators cho phân đoạn hoặc chụp nhanh các khối chuỗi phân đoạn, tỷ lệ thuận với số lượng của các phân đoạn trong hệ thống. Vì bản thân chuỗi Beacon là một blockchain duy nhất, với tính toán bị giới hạn bởi khả năng tính toán của các nút vận hành nó, số lượng mảnh vỡ đương nhiên là có hạn. Tuy nhiên, cấu trúc của một mạng phân mảnh mang lại khả năng nhân lên ảnh hưởng đến bất kỳ cải tiến nào đối với các nút của nó. Hãy xem xét trường hợp trong đó một cách tùy ý sự cải thiện được thực hiện đối với hiệu quả của các nút trong mạng sẽ cho phép họ có thời gian xử lý giao dịch nhanh hơn. Nếu các nút vận hành mạng, bao gồm các nút trong chuỗi Beacon, nhanh hơn bốn lần thì mỗi phân đoạn sẽ có thể xử lý gấp bốn lần giao dịch và chuỗi Beacon sẽ có thể duy trì số phân đoạn nhiều hơn 4 lần. Thông lượng trên toàn hệ thống sẽ tăng theo hệ số 4 × 4 = 16 - do đó có tên là sharding bậc hai. Thật khó để đưa ra một phép đo chính xác về số lượng mảnh vỡ khả thi ngày hôm nay, nhưng không chắc rằng trong tương lai gần, thông lượng nhu cầu của blockchain người dùng sẽ vượt qua giới hạn của phân đoạn bậc hai. Số lượng nút cần thiết để vận hành khối lượng phân đoạn như vậy một cách an toàn có khả năng cao hơn số lượng nút vận hành tất cả blockchain tổng hợp ngày hôm nay. 1.3 Phân chia trạng thái Cho đến nay chúng ta vẫn chưa định nghĩa rõ ràng chính xác cái gì là và cái gì không tách rời. khi một mạng được chia thành các phân đoạn. Cụ thể, các nút trong blockchain thực hiện ba nhiệm vụ quan trọng: không chỉ 1) xử lý các giao dịch mà còn đồng thời 2) chuyển tiếp các giao dịch đã được xác thực và các khối đã hoàn thành tới các nút khác và 3) lưu trữ trạng thái và lịch sử của toàn bộ sổ cái mạng. Mỗi cái trong số ba cái này nhiệm vụ đặt ra yêu cầu ngày càng tăng đối với các nút vận hành mạng:1. Sự cần thiết phải xử lý các giao dịch đòi hỏi nhiều sức mạnh tính toán hơn với số lượng giao dịch được xử lý tăng lên; 2. Sự cần thiết phải chuyển tiếp các giao dịch và khối đòi hỏi nhiều băng thông mạng hơn với số lượng giao dịch được chuyển tiếp tăng lên; 3. Nhu cầu lưu trữ dữ liệu đòi hỏi nhiều bộ nhớ hơn khi trạng thái phát triển. Điều quan trọng là, không giống như sức mạnh xử lý và mạng lưới, yêu cầu lưu trữ tăng lên ngay cả khi tốc độ giao dịch (số lượng giao dịch được xử lý) mỗi giây) không đổi. Từ danh sách trên, có vẻ như yêu cầu về dung lượng lưu trữ sẽ là cấp bách nhất, vì nó là thứ duy nhất đang được tăng lên theo thời gian ngay cả khi số lượng giao dịch mỗi giây không thay đổi, nhưng trên thực tế yêu cầu cấp bách nhất hiện nay là sức mạnh tính toán. Toàn bộ trạng thái của Ethereum tính đến thời điểm viết bài này là 100GB, hầu hết các nút đều có thể dễ dàng quản lý. Nhưng số lượng giao dịch Ethereum có thể xử lý là khoảng 20, đơn hàng cường độ nhỏ hơn mức cần thiết cho nhiều trường hợp sử dụng thực tế. Zilliqa là dự án nổi tiếng nhất xử lý phân đoạn nhưng không lưu trữ. Phân chia quá trình xử lý là một vấn đề dễ dàng hơn vì mỗi nút có toàn bộ trạng thái, nghĩa là các hợp đồng có thể tự do gọi các hợp đồng khác và đọc bất kỳ dữ liệu nào từ blockchain. Cần có một số kỹ thuật cẩn thận để đảm bảo cập nhật từ nhiều phân đoạn cập nhật các phần giống nhau của trạng thái không xung đột. trong những điều đó liên quan đến Zilliqa đang thực hiện một cách tiếp cận tương đối đơn giản2. Mặc dù việc phân chia lưu trữ mà không phân chia quá trình xử lý đã được đề xuất, nhưng cực kỳ không phổ biến. Do đó, trong thực tế phân mảnh lưu trữ, hay còn gọi là State Sharding, hầu như luôn bao hàm việc phân chia quá trình xử lý và phân chia mạng. Trên thực tế, theo State Sharding, các nút trong mỗi phân đoạn đang xây dựng sở hữu blockchain chứa các giao dịch chỉ ảnh hưởng đến phần cục bộ của trạng thái toàn cầu được gán cho phân đoạn đó. Do đó, validator trong phân đoạn chỉ cần lưu trữ phần cục bộ của trạng thái toàn cục và chỉ thực thi, và như vậy chỉ chuyển tiếp các giao dịch ảnh hưởng đến phần trạng thái của chúng. Cái này phân vùng giảm tuyến tính yêu cầu về tất cả sức mạnh tính toán, lưu trữ và băng thông mạng nhưng lại gây ra các vấn đề mới, chẳng hạn như tính sẵn có của dữ liệu và giao dịch chéo, cả hai giao dịch này chúng tôi sẽ đề cập bên dưới. 1.4 Giao dịch chéo Mô hình sharding mà chúng tôi mô tả cho đến nay không hữu ích lắm, bởi vì nếu cá nhân các mảnh không thể giao tiếp với nhau, chúng không tốt hơn nhiều độc lập blockchains. Thậm chí ngày nay, khi không có sharding, vẫn có một nhu cầu rất lớn về khả năng tương tác giữa các blockchain khác nhau. Bây giờ chúng ta chỉ xem xét các giao dịch thanh toán đơn giản, trong đó mỗi người tham gia có tài khoản trên chính xác một phân đoạn. Nếu người ta muốn chuyển tiền từ 2Bạn có thể tìm thấy phân tích của chúng tôi về cách tiếp cận của họ tại đây: https://medium.com/nearprotocol/ 8f9efae0ce3btài khoản này sang tài khoản khác trong cùng một phân đoạn, giao dịch có thể được xử lý hoàn toàn bởi validator trong phân đoạn đó. Tuy nhiên, nếu Alice cư trú trên mảnh vỡ

1 muốn gửi tiền cho Bob, người cư trú trên phân đoạn #2, không phải validators

trên phân đoạn số 1(họ sẽ không thể ghi có vào tài khoản của Bob) cũng như validator trên phân đoạn số 2 (họ sẽ không thể ghi nợ tài khoản của Alice) có thể xử lý toàn bộ giao dịch. Có hai nhóm phương pháp tiếp cận giao dịch chéo: • Đồng bộ: bất cứ khi nào một giao dịch chéo phân đoạn cần được thực hiện, các khối trong nhiều phân đoạn chứa sự chuyển đổi trạng thái liên quan đến tất cả giao dịch được thực hiện cùng một lúc và validator của nhiều phân đoạn cộng tác để thực hiện các giao dịch đó.3 • Không đồng bộ: giao dịch chéo ảnh hưởng đến nhiều phân đoạn được thực thi không đồng bộ trong các phân đoạn đó, phân đoạn “Tín dụng” thực thi một nửa của nó khi nó có đủ bằng chứng cho thấy phân đoạn “Ghi nợ” đã thực hiện phần của nó. Cách tiếp cận này có xu hướng phổ biến hơn do nó sự đơn giản và dễ phối hợp. Hệ thống này ngày nay được đề xuất ở Cosmos, Ethereum Serenity, Near, Kadena và các hệ thống khác. Một vấn đề với điều này Cách tiếp cận nằm ở chỗ nếu các khối được tạo độc lập thì có khả năng khác không là một trong nhiều khối sẽ mồ côi, do đó tạo ra giao dịch chỉ được áp dụng một phần. Hãy xem xét hình 2 mô tả hai cả hai phân đoạn đều gặp phải phân nhánh và giao dịch phân đoạn chéo được ghi vào khối A và X’ tương ứng. Nếu chuỗi A-B và V'-X'-Y'-Z' cuối cùng trở thành chuẩn trong các phân đoạn tương ứng, giao dịch được hoàn tất đầy đủ. Nếu A’-B’-C’-D’ và V-X trở thành chuẩn, thì giao dịch bị hủy bỏ hoàn toàn, điều này có thể chấp nhận được. Nhưng nếu, vì ví dụ: A-B và V-X trở thành hợp quy, khi đó một phần của giao dịch được hoàn tất và một phần bị hủy, tạo ra lỗi về tính nguyên tử. Chúng tôi sẽ đề cập đến cách giải quyết vấn đề này trong các giao thức được đề xuất ở phần thứ hai, khi đề cập đến những thay đổi đối với quy tắc lựa chọn ngã ba và sự đồng thuận các thuật toán được đề xuất cho các giao thức sharded. Lưu ý rằng giao tiếp giữa các chuỗi rất hữu ích bên ngoài blockchain được phân chia quá. Khả năng tương tác giữa các chuỗi là một vấn đề phức tạp mà nhiều dự án đang cố gắng giải quyết. Trong blockchain được phân chia, vấn đề có phần dễ dàng hơn vì cấu trúc khối và sự đồng thuận là giống nhau giữa các phân đoạn và có một chuỗi đèn hiệu có thể được sử dụng để phối hợp. Tuy nhiên, trong một blockchain phân mảnh, tất cả các chuỗi phân đoạn đều giống nhau, trong khi đó trong hệ sinh thái blockchain toàn cầu thì có có rất nhiều blockchain khác nhau, với các trường hợp sử dụng mục tiêu khác nhau, phân cấp và đảm bảo quyền riêng tư. Xây dựng một hệ thống trong đó một tập hợp các chuỗi có các đặc tính khác nhau nhưng sử dụng sự đồng thuận và cấu trúc khối tương tự nhau và có một chuỗi báo hiệu chung có thể tạo ra một hệ sinh thái gồm các blockchain không đồng nhất có 3Cái nhất chi tiết đề nghị được biết đến để cái tác giả của cái này tài liệu là Hợp nhất khối, được mô tả đây: https://ethresear.ch/t/ hợp nhất-khối-và-đồng bộ-thực thi chéo-shard-state/1240Hình 2: Giao dịch chéo không đồng bộ hệ thống con có khả năng tương tác làm việc. Hệ thống như vậy khó có thể có tính năng xoay validator, vì vậy cần thực hiện một số biện pháp bổ sung để đảm bảo an ninh. Cả hai Cosmos và PolkaDot thực sự là những hệ thống như vậy4 1,5 Hành vi độc hại Trong phần này, chúng tôi sẽ xem xét hành vi đối nghịch nào có thể gây hại cho validators tập thể dục nếu họ cố gắng làm hỏng một phân đoạn. Chúng tôi sẽ xem xét các phương pháp cổ điển để tránh làm hỏng các phân đoạn trong phần 2.1. 1.5.1 Những nhánh độc hại Một tập hợp validator độc hại có thể cố gắng tạo một nhánh. Lưu ý rằng nó không quan trọng là sự đồng thuận cơ bản có phải là BFT hay không, làm hỏng đủ số trong số validator sẽ luôn có thể tạo một nhánh. Có nhiều khả năng hơn 50% của một phân đoạn bị hỏng hơn là hơn 50% toàn bộ mạng bị hỏng (chúng tôi sẽ đi sâu hơn vào các xác suất này trong phần 2.1). Như đã thảo luận ở phần 1.4, giao dịch chéo liên quan đến những thay đổi trạng thái nhất định trong nhiều phân đoạn và các khối tương ứng trong các phân đoạn áp dụng những thay đổi trạng thái đó phải đều đã được hoàn thiện (tức là xuất hiện trong các chuỗi đã chọn trên tương ứng của chúng các phân đoạn) hoặc tất cả đều mồ côi (tức là không xuất hiện trong các chuỗi đã chọn trên các phân đoạn tương ứng của chúng). Vì nhìn chung xác suất các mảnh bị hỏng 4Tham khảo bài viết này của Zaki Manian từ Cosmos: https://forum.cosmos.network/ t/polkadot-vs-cosmos/1397/2 và cơn bão tweet này của tác giả đầu tiên của tài liệu này: https://twitter.com/AlexSkidanov/status/1129511266660126720 để so sánh chi tiết của hai

không phải là không đáng kể, chúng tôi không thể cho rằng việc phân nhánh sẽ không xảy ra ngay cả khi đã đạt được sự đồng thuận lớn giữa các phân đoạn validator hoặc nhiều khối đã được được sản xuất trên đầu khối với sự thay đổi trạng thái. Vấn đề này có nhiều giải pháp, giải pháp phổ biến nhất là thỉnh thoảng liên kết chéo của khối chuỗi phân đoạn mới nhất với chuỗi báo hiệu. Cái nĩa quy tắc lựa chọn trong chuỗi phân đoạn sau đó được thay đổi để luôn ưu tiên chuỗi đó được liên kết chéo và chỉ áp dụng quy tắc lựa chọn phân nhánh cụ thể cho các khối đã được được xuất bản kể từ liên kết chéo cuối cùng. 1.5.2 Phê duyệt các khối không hợp lệ Một tập hợp validator có thể cố gắng tạo một khối áp dụng chức năng chuyển trạng thái không chính xác. Ví dụ: bắt đầu với trạng thái mà Alice có 10 token và Bob có 0 token, khối có thể chứa giao dịch gửi 10 token từ Alice tới Bob nhưng cuối cùng lại rơi vào trạng thái mà Alice có 0 tokens và Bob có 1000 tokens, như thể hiện trên hình 3. Hình 3: Ví dụ về khối không hợp lệ Trong blockchain cổ điển không phân đoạn, một cuộc tấn công như vậy là không thể, vì tất cả người tham gia mạng xác nhận tất cả các khối và khối có như vậy quá trình chuyển đổi trạng thái không hợp lệ sẽ bị cả hai nhà sản xuất khối khác từ chối và những người tham gia mạng không tạo khối. Cho dù có ác ý validator tiếp tục tạo các khối trên khối không hợp lệ đó nhanh hơn validator trung thực xây dựng chuỗi chính xác, do đó có chuỗi không hợp lệ khối có thể dài hơn, điều đó không thành vấn đề vì mọi người tham gia đang sử dụng blockchain vì bất kỳ mục đích nào sẽ xác thực tất cả các khối và loại bỏ tất cả các khối được xây dựng trên khối không hợp lệ. Trên hình 4 có năm validator, ba trong số đó là độc hại. Họ đã tạo khối A' không hợp lệ và sau đó tiếp tục xây dựng các khối mới ở trên cùng của nó. Hai validator trung thực đã loại bỏ A’ vì không hợp lệ và đang xây dựng trên cùngHình 4: Cố gắng tạo khối không hợp lệ trong blockchain không được phân đoạn của khối hợp lệ cuối cùng mà họ biết, tạo ra một nhánh. Vì có ít hơn validator ở ngã ba trung thực, chuỗi của họ ngắn hơn. Tuy nhiên, trong blockchain cổ điển không được phân chia, mọi người tham gia sử dụng blockchain cho bất kỳ mục đích nào đều được chịu trách nhiệm xác nhận tất cả các khối họ nhận được và tính toán lại trạng thái. Vì vậy, bất kỳ ai có bất kỳ sự quan tâm nào đến blockchain đều sẽ nhận thấy rằng A’ không hợp lệ và do đó cũng loại bỏ ngay B’, C’ và D’, như vậy lấy chuỗi A-B là chuỗi hợp lệ dài nhất hiện tại. Tuy nhiên, trong phân đoạn blockchain, không người tham gia nào có thể xác thực tất cả giao dịch trên tất cả các phân đoạn, vì vậy họ cần có cách nào đó để xác nhận điều đó mà không điểm trong lịch sử của bất kỳ phân đoạn nào của blockchain không có khối không hợp lệ nào được đưa vào. Lưu ý rằng không giống như fork, liên kết chéo với chuỗi Beacon không phải là giải pháp hiệu quả vì chuỗi Beacon không có khả năng xác thực khối. Nó chỉ có thể xác nhận rằng có đủ số validator trong phân đoạn đó đã ký vào khối (và như vậy đã chứng thực tính đúng đắn của nó). Chúng ta sẽ thảo luận các giải pháp cho vấn đề này trong phần 2.2 dưới đây.

Hiệu lực của trạng thái và tính sẵn có của dữ liệu

Ý tưởng cốt lõi trong sharded blockchains là hầu hết người tham gia đều vận hành hoặc việc sử dụng mạng không thể xác thực các khối trong tất cả các phân đoạn. Như vậy, bất cứ khi nào bất kỳ người tham gia nào cũng cần tương tác với một phân đoạn cụ thể mà họ thường không thể tải xuống và xác thực toàn bộ lịch sử của phân đoạn. Tuy nhiên, khía cạnh phân vùng của sharding làm tăng tiềm năng đáng kể vấn đề: không tải xuống và xác thực toàn bộ lịch sử của một ứng dụng cụ thể phân đoạn, người tham gia không nhất thiết phải chắc chắn rằng trạng thái của nó 5Phần này, ngoại trừ tiểu mục 2.5.3, đã được xuất bản trước đây tại https://near.ai/ mảnh vỡ2. Nếu bạn đã đọc nó trước đó, hãy chuyển sang phần tiếp theo.

chúng tương tác với nhau là kết quả của một chuỗi khối hợp lệ nào đó và chuỗi đó của các khối thực sự là chuỗi chuẩn trong phân đoạn. Một vấn đề không tồn tại trong blockchain không được phân chia. Đầu tiên chúng tôi sẽ trình bày một giải pháp đơn giản cho vấn đề này đã được đề xuất bằng nhiều giao thức và sau đó phân tích xem giải pháp này có thể bị hỏng như thế nào và điều gì đã có những nỗ lực để giải quyết nó. 2.1 Xoay vòng xác thực Giải pháp đơn giản cho tính hợp lệ của trạng thái được thể hiện trên hình 5: giả sử chúng ta giả sử mà toàn bộ hệ thống có khoảng hàng nghìn validator, trong đó không quá 20% là độc hại hoặc sẽ thất bại (chẳng hạn như không thể trực tuyến để tạo ra một khối). Sau đó, nếu chúng ta lấy mẫu 200 validators thì xác suất nhiều hơn 1 3 không đạt trong mục đích thực tế có thể được coi là bằng không. Hình 5: Đang lấy mẫu validators 1 3 là một ngưỡng quan trọng. Có một nhóm các giao thức đồng thuận, được gọi là BFT giao thức đồng thuận, đảm bảo rằng chỉ cần ít hơn 1 3 trong số người tham gia thất bại, do vi phạm hoặc do hành động theo cách nào đó vi phạm giao thức thì sẽ đạt được sự đồng thuận. Với giả định về tỷ lệ phần trăm validator trung thực này, nếu tập hợp hiện tại validator trong một phân đoạn cung cấp cho chúng ta một số khối, giải pháp ngây thơ giả định rằng khối đó hợp lệ và nó được xây dựng dựa trên những gì validator được cho là chuỗi chuẩn cho phân đoạn đó khi họ bắt đầu xác thực. validators đã học chuỗi chuẩn từ tập hợp validator trước đó, cũng bằng cách đó giả định được xây dựng trên khối đứng đầu chuỗi kinh điển trước đó. Bằng quy nạp, toàn bộ chuỗi là hợp lệ và vì không có tập hợp validator nào tại bất kỳ thời điểm nào sản xuất nĩa, giải pháp ngây thơ cũng chắc chắn rằng hiện tại chuỗi là chuỗi duy nhất trong phân đoạn. Xem hình 6 để hình dung.

Hình 6: blockchain với mỗi khối được hoàn tất thông qua sự đồng thuận BFT Giải pháp đơn giản này sẽ không hiệu quả nếu chúng ta giả sử rằng validator có thể bị hỏng một cách thích ứng, đây không phải là một giả định vô lý6. Thích ứng làm hỏng một phân đoạn trong hệ thống có 1000 phân đoạn sẽ rẻ hơn đáng kể hơn là làm hỏng toàn bộ hệ thống. Do đó, tính bảo mật của giao thức giảm tuyến tính theo số lượng phân đoạn. Để có sự chắc chắn về tính hợp lệ của một khối, chúng ta phải biết rằng tại bất kỳ thời điểm nào trong lịch sử không có phân đoạn nào trong hệ thống có phần lớn validator thông đồng; với những đối thủ có khả năng thích ứng, chúng ta không còn có sự chắc chắn như vậy. Như chúng ta đã thảo luận trong phần 1.5, việc thông đồng với validator có thể gây ảnh hưởng hai hành vi độc hại cơ bản: tạo nhánh và tạo các khối không hợp lệ. Các nhánh độc hại có thể được xử lý bằng các khối được liên kết chéo với chuỗi Beacon thường được thiết kế để có độ bảo mật cao hơn đáng kể so với các chuỗi khác. những chuỗi mảnh vỡ. Tuy nhiên, việc tạo ra các khối không hợp lệ là một vấn đề đáng kể hơn. vấn đề đầy thách thức cần giải quyết. 2.2 Hiệu lực của tiểu bang Hãy xem hình 7 trong đó Shard #1 bị hỏng và một tác nhân độc hại tạo ra khối B không hợp lệ. Giả sử trong khối B này 1000 token được đúc từ mỏng phát sóng trên tài khoản của Alice. Sau đó, tác nhân độc hại tạo ra khối C hợp lệ (trong một cảm thấy rằng các giao dịch trong C được áp dụng chính xác) trên B, làm xáo trộn khối B không hợp lệ và bắt đầu giao dịch chéo tới Phân đoạn số 2 chuyển 1000 tokens đó vào tài khoản của Bob. Từ lúc này trở đi không đúng cách đã tạo token nằm trên blockchain hoàn toàn hợp lệ trong Phân đoạn #2. Một số cách tiếp cận đơn giản để giải quyết vấn đề này là: 6Đọc cái này bài viết cho chi tiết trên làm thế nào thích nghi tham nhũng có thể được mang theo ra: https://medium.com/nearprotocol/d859adb464c8. cho hơn thế nữa chi tiết trên thích nghi tham nhũng, đọc https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Sharding-FAQ# mô hình bảo mật mà chúng tôi đang vận hành là gìHình 7: Giao dịch chéo từ chuỗi có khối không hợp lệ 1. Dành cho validator của Phân đoạn số 2 để xác thực khối nơi giao dịch được thực hiện được khởi xướng. Điều này sẽ không hoạt động ngay cả trong ví dụ trên, vì khối C dường như hoàn toàn hợp lệ. 2. Dành cho validator trong Phân đoạn số 2 để xác thực một số lượng lớn khối trước khối mà giao dịch được bắt đầu. Đương nhiên, đối với bất kỳ số lượng khối N nào được xác nhận bởi phân đoạn nhận độc hại validators có thể tạo N+1 khối hợp lệ lên trên khối không hợp lệ mà họ được sản xuất. Một ý tưởng đầy hứa hẹn để giải quyết vấn đề này là sắp xếp các mảnh thành một đồ thị vô hướng trong đó mỗi phân đoạn được kết nối với một số phân đoạn khác và chỉ cho phép giao dịch chéo giữa các phân đoạn lân cận (ví dụ: đây là cách Về cơ bản, sharding của Vlad Zamfir hoạt động7 và ý tưởng tương tự được sử dụng trong Kadena Chuỗi mạng [1]). Nếu cần một giao dịch chéo giữa các phân đoạn không phải hàng xóm, giao dịch đó được định tuyến qua nhiều phân đoạn. Trong thiết kế này validator trong mỗi phân đoạn phải xác thực cả hai khối trong phân đoạn của chúng cũng như tất cả các khối trong tất cả các mảnh lân cận. Hãy xem xét một hình dưới đây với 10 phân đoạn, mỗi phân đoạn có bốn phân đoạn lân cận và không có phân đoạn nào yêu cầu nhiều hơn hơn hai bước nhảy cho giao tiếp chéo được hiển thị trên hình 8. Phân đoạn số 2 không chỉ xác thực blockchain của chính nó mà còn blockchain của tất cả những người hàng xóm, bao gồm cả Shard #1. Vì vậy, nếu một tác nhân độc hại trên Shard #1 đang cố gắng tạo khối B không hợp lệ, sau đó xây dựng khối C lên trên khối đó và bắt đầu một giao dịch chéo, giao dịch chéo đó sẽ không diễn ra kể từ khi Phân đoạn số 2 sẽ xác thực toàn bộ lịch sử của Phân đoạn số 1 sẽ khiến nó xác định khối B không hợp lệ. 7Đọc thêm về thiết kế tại đây: https://medium.com/nearprotocol/37e538177ed9

Hình 8: Một giao dịch chéo không hợp lệ trong hệ thống giống như chainweb sẽ bị phát hiện Mặc dù việc làm hỏng một phân đoạn không còn là một cuộc tấn công khả thi nữa, việc làm hỏng một vài mảnh vẫn còn là một vấn đề. Trên hình 9, một đối thủ đang làm hỏng cả Shard

1 và Shard #2 thực hiện thành công giao dịch chéo tới Shard #3

với số tiền từ khối B không hợp lệ: Hình 9: Một giao dịch chéo không hợp lệ trong hệ thống giống như chainweb sẽ không bị phát hiện Phân đoạn số 3 xác thực tất cả các khối trong Phân đoạn số 2, nhưng không có trong Phân đoạn số 1 và không có cách nào để phát hiện khối độc hại. Có hai hướng chính để giải quyết đúng đắn tính hợp lệ của trạng thái:

và bằng chứng mật mã của tính toán. 2.3 ngư dân Ý tưởng đằng sau cách tiếp cận đầu tiên là như sau: bất cứ khi nào một tiêu đề khối được truyền đạt giữa các chuỗi vì bất kỳ mục đích nào (chẳng hạn như liên kết chéo với chuỗi đèn hiệu hoặc giao dịch chéo), có một khoảng thời gian trong mà bất kỳ validator trung thực nào cũng có thể cung cấp bằng chứng cho thấy khối không hợp lệ. Ở đó là những công trình khác nhau cho phép chứng minh rất ngắn gọn rằng các khối không hợp lệ, do đó chi phí liên lạc cho các nút nhận sẽ nhỏ hơn nhiều hơn là nhận được một khối đầy đủ. Với cách tiếp cận này miễn là có ít nhất một validator trung thực trong mảnh vỡ, hệ thống được an toàn. Hình 10: ngư dân Đây là cách tiếp cận chủ đạo (ngoài việc giả vờ như vấn đề không tồn tại) trong số các giao thức được đề xuất hiện nay. Tuy nhiên, cách tiếp cận này có hai nhược điểm lớn: 1. Thời gian thử thách cần phải đủ dài đối với người trung thực validator để nhận biết một khối đã được tạo, tải xuống, xác minh đầy đủ và chuẩn bị thử thách nếu khối không hợp lệ. Giới thiệu một thời kỳ như vậy sẽ làm chậm đáng kể các giao dịch chéo. 2. Sự tồn tại của giao thức thử thách tạo ra một hướng tấn công mới khi các nút độc hại spam với các thách thức không hợp lệ. Một giải pháp rõ ràng của vấn đề này là bắt những người thách đấu gửi một số tiền tokens được trả lại nếu thử thách hợp lệ. Đây chỉ là giải pháp một phần vì nó vẫn có thể có lợi cho kẻ thù gửi thư rác vào hệ thống (và đốt cháy tiền gửi) với những thách thức không hợp lệ, ví dụ để ngăn chặn hợp lệthách thức từ validator trung thực khi vượt qua. Những cuộc tấn công này là được gọi là Cuộc tấn công đau buồn. Xem phần 3.7.2 để biết cách giải quyết điểm sau. 2.4 Lập luận ngắn gọn về kiến thức không tương tác Giải pháp thứ hai cho vấn đề hỏng nhiều phân đoạn là sử dụng một số loại cấu trúc mật mã cho phép người ta chứng minh rằng một tính toán nhất định (chẳng hạn như như việc tính toán một khối từ một tập hợp các giao dịch) đã được thực hiện chính xác. Những công trình như vậy tồn tại, ví dụ: zk-SNARK, zk-STARK và một số loại khác, và một số được sử dụng tích cực trong các giao thức blockchain ngày nay để thanh toán riêng tư, đáng chú ý nhất là ZCash. Vấn đề chính với những thứ nguyên thủy như vậy là chúng nổi tiếng là tính toán chậm. Ví dụ. Giao thức Coda, sử dụng zk-SNARK cụ thể là để chứng minh rằng tất cả các khối trong blockchain đều hợp lệ, được nói trong một trong số các cuộc phỏng vấn rằng có thể mất 30 giây cho mỗi giao dịch để tạo bằng chứng (con số này có lẽ bây giờ đã nhỏ hơn). Điều thú vị là, bằng chứng không cần phải được tính toán bởi một bên đáng tin cậy, vì bằng chứng không chỉ chứng thực tính hợp lệ của tính toán mà nó được xây dựng mà còn giá trị pháp lý của chính bằng chứng. Vì vậy, việc tính toán các chứng minh đó có thể được chia giữa một nhóm người tham gia với mức độ dư thừa ít hơn đáng kể so với cần thiết để thực hiện một số tính toán không tin cậy. Nó cũng cho phép người tham gia những người tính toán zk-SNARK để chạy trên phần cứng đặc biệt mà không làm giảm phi tập trung hóa hệ thống. Những thách thức của zk-SNARK, ngoài hiệu suất, là: 1. Sự phụ thuộc vào các mật mã nguyên thủy ít được nghiên cứu và thử nghiệm ít thời gian hơn; 2. ”Chất thải độc hại” — zk-SNARK phụ thuộc vào thiết lập đáng tin cậy trong đó một nhóm mọi người thực hiện một số tính toán và sau đó loại bỏ kết quả trung gian các giá trị của phép tính đó. Nếu tất cả những người tham gia thủ tục thông đồng và giữ nguyên các giá trị trung gian, có thể tạo ra bằng chứng giả; 3. Độ phức tạp cao hơn được đưa vào thiết kế hệ thống; 4. zk-SNARK chỉ hoạt động đối với một tập hợp con các phép tính có thể, do đó, một giao thức với ngôn ngữ Turing-complete smart contract sẽ không thể sử dụng SNARK để chứng minh tính hợp lệ của chuỗi. 2,5 Tính sẵn có của dữ liệu Vấn đề thứ hai chúng ta sẽ đề cập đến là tính sẵn có của dữ liệu. Nói chung các nút việc vận hành một blockchain cụ thể được tách thành hai nhóm: Nút đầy đủ, những thứ tải xuống mọi khối đầy đủ và xác thực mọi giao dịch và Light Các nút chỉ tải xuống tiêu đề khối và sử dụng bằng chứng Merkle cho các bộ phận của nhà nước và các giao dịch mà họ quan tâm, như thể hiện trên hình 11.

Hình 11: Cây Merkle Bây giờ nếu phần lớn các nút đầy đủ thông đồng với nhau, chúng có thể tạo ra một khối, hợp lệ hoặc không hợp lệ và gửi hash của nó tới các nút ánh sáng nhưng không bao giờ tiết lộ toàn bộ nội dung của khối. Có nhiều cách khác nhau để họ có thể hưởng lợi từ nó. Ví dụ, xét hình 12: Hình 12: Vấn đề về tính sẵn có của dữ liệu Có ba khối: khối trước, A, được tạo bởi validators trung thực; hiện tại, B, có validator thông đồng; và loại tiếp theo, C, cũng sẽ được sản xuất bởi validators trung thực (blockchain được mô tả ở góc dưới cùng bên phải). Bạn là một thương gia. validators của khối hiện tại (B) đã nhận được khối A từ validator trước đó, đã tính toán một khối trong đó bạn nhận được tiền,và gửi cho bạn tiêu đề của khối đó cùng với bằng chứng Merkle về trạng thái bạn có tiền (hoặc bằng chứng Merkle về giao dịch hợp lệ gửi tiền cho bạn). Tin chắc rằng giao dịch đã hoàn tất, bạn cung cấp dịch vụ. Tuy nhiên, validator không bao giờ phân phối toàn bộ nội dung của khối B cho bất cứ ai. Do đó, validator trung thực của khối C không thể truy xuất khối và hoặc bị buộc phải đình trệ hệ thống hoặc xây dựng trên đỉnh A, tước bỏ tư cách của bạn người buôn tiền. Khi chúng tôi áp dụng kịch bản tương tự cho sharding, các định nghĩa về đầy đủ và nút nhẹ thường áp dụng cho mỗi phân đoạn: validators trong mỗi lần tải xuống phân đoạn chặn trong phân đoạn đó và xác thực mọi giao dịch trong phân đoạn đó, nhưng các giao dịch khác các nút trong hệ thống, bao gồm cả các nút có trạng thái chuỗi phân đoạn nhanh vào chuỗi đèn hiệu, chỉ tải xuống các tiêu đề. Do đó, validator trong phân đoạn là các nút đầy đủ hiệu quả cho phân đoạn đó, trong khi những người tham gia khác trong hệ thống, bao gồm chuỗi đèn hiệu, hoạt động như các nút ánh sáng. Để cách tiếp cận của ngư dân mà chúng ta đã thảo luận ở trên có hiệu quả, validators trung thực cần có khả năng tải xuống các khối được liên kết chéo với chuỗi đèn hiệu. Nếu validator độc hại liên kết chéo tiêu đề của một khối không hợp lệ (hoặc sử dụng nó để bắt đầu một giao dịch chéo), nhưng không bao giờ phân phối khối, thì giao dịch trung thực validator không có cách nào để tạo ra thử thách. Chúng tôi sẽ đề cập đến ba cách tiếp cận để giải quyết vấn đề này, bổ sung cho lẫn nhau. 2.5.1 Bằng chứng về quyền nuôi con Vấn đề trước mắt nhất cần giải quyết là liệu một khối có sẵn một lần hay không nó được xuất bản. Một ý tưởng được đề xuất là có cái gọi là Công chứng viên luân phiên giữa các phân đoạn thường xuyên hơn validator có công việc duy nhất là tải xuống chặn và chứng thực rằng họ có thể tải xuống nó. Họ có thể được luân chuyển thường xuyên hơn vì họ không cần tải xuống toàn bộ trạng thái của phân đoạn, không giống như validator không thể xoay thường xuyên vì chúng phải tải xuống trạng thái của phân đoạn mỗi lần chúng xoay, như thể hiện trên hình 13. Vấn đề với cách tiếp cận ngây thơ này là không thể chứng minh sau này cho dù Công chứng viên có thể tải xuống khối hay không, vì vậy Công chứng viên có thể chọn luôn chứng thực rằng họ có thể tải xuống khối mà không cần thậm chí còn cố gắng lấy lại nó. Một giải pháp cho vấn đề này là Công chứng viên cung cấp một số bằng chứng hoặc đặt cược số lượng token chứng thực rằng khối đã được đã tải xuống. Một giải pháp như vậy được thảo luận ở đây: https://ethresear.ch/t/ Trái phiếu lưu ký thân thiện với tập hợp 1 bit/2236. 2.5.2 Mã xóa Khi một nút nhẹ cụ thể nhận được hash của một khối, để tăng sức mạnh của nút đó tin rằng khối đó có sẵn, nó có thể thử tải xuống một vài thông tin ngẫu nhiên các mảnh của khối. Đây không phải là một giải pháp hoàn chỉnh, vì trừ khi các nút ánh sáng tải xuống chung toàn bộ khối mà nhà sản xuất khối độc hại có thể chọn

Hình 13: Trình xác thực cần phải tải xuống trạng thái và do đó không thể xoay được thường xuyên để giữ lại các phần của khối không được tải xuống bởi bất kỳ nút ánh sáng nào, do đó vẫn làm cho khối không có sẵn. Một giải pháp là sử dụng một cấu trúc có tên là Erasure Codes để thực hiện điều đó. để khôi phục toàn bộ khối ngay cả khi chỉ có một phần của khối, như được hiển thị trên hình 14. Hình 14: Merkle tree được xây dựng dựa trên dữ liệu đã mã hóa bị xóa Cả Polkadot và Ethereum Serenity đều có thiết kế xoay quanh ý tưởng này cung cấp một cách để các nút nhẹ có thể tin cậy một cách hợp lý rằng các khối có sẵn. Phương pháp Ethereum Serenity có mô tả chi tiết trong [2].2.5.3 Cách tiếp cận của Polkadot đối với tính khả dụng của dữ liệu Trong Polkadot, giống như trong hầu hết các giải pháp phân đoạn, mỗi phân đoạn (được gọi là parachain) chụp nhanh các khối của nó vào chuỗi báo hiệu (được gọi là chuỗi chuyển tiếp). Giả sử có 2f + 1 validator trên chuỗi chuyển tiếp. Các nhà sản xuất khối của khối parachain, được gọi là đối chiếu, sau khi khối parachain được tạo ra, hãy tính toán một phiên bản mã hóa xóa của khối bao gồm 2f +1 phần sao cho bất kỳ phần f nào cũng đủ để xây dựng lại khối. Sau đó, họ phân phối một phần cho mỗi validator trên chuỗi rơle. Chuỗi chuyển tiếp cụ thể validator sẽ chỉ đăng nhập vào chuỗi chuyển tiếp khối nếu họ có phần của mình cho mỗi khối parachain được chụp nhanh vào khối chuỗi chuyển tiếp như vậy. Do đó, nếu khối chuỗi chuyển tiếp có chữ ký từ 2f + 1 validators và miễn là không quá f trong số chúng vi phạm giao thức, mỗi khối parachain có thể được xây dựng lại bằng cách tìm nạp các phần từ validators tuân theo giao thức. Xem hình 15. Hình 15: Tính khả dụng của dữ liệu Polkadot 2.5.4 Tính sẵn có của dữ liệu dài hạn Lưu ý rằng tất cả các phương pháp được thảo luận ở trên chỉ chứng thực thực tế là một khối đã được xuất bản và hiện có sẵn. Các khối sau này có thể không còn khả dụng vì nhiều lý do: các nút ngoại tuyến, các nút cố tình xóa lịch sử dữ liệu và những thứ khác. Sách trắng đáng được đề cập giải quyết vấn đề này là Polyshard [3], sử dụng mã xóa để cung cấp các khối trên các phân đoạn ngay cả khi một số mảnh vỡ hoàn toàn mất dữ liệu của họ. Thật không may, cách tiếp cận cụ thể của họ đòi hỏi tất cả các phân đoạn để tải xuống các khối từ tất cả các phân đoạn khác, điều này bị cấm đắt tiền. Tính khả dụng lâu dài không phải là vấn đề cấp bách: vì không có người tham gia trong hệ thống dự kiến ​​sẽ có khả năng xác nhận tất cả các chuỗi trong tất cả

phân đoạn, tính bảo mật của giao thức phân đoạn cần phải được thiết kế theo cách cách mà hệ thống được an toàn ngay cả khi một số khối cũ trong một số phân đoạn trở thành hoàn toàn không có sẵn.

Nightshade

3.1 Từ chuỗi mảnh đến mảnh vỡ Mô hình sharding với chuỗi phân đoạn và chuỗi đèn hiệu rất mạnh mẽ nhưng có những phức tạp nhất định. Đặc biệt, quy tắc lựa chọn ngã ba cần được thực thi trong mỗi chuỗi riêng biệt, quy tắc lựa chọn ngã ba trong chuỗi phân đoạn và đèn hiệu chuỗi phải được xây dựng khác nhau và được thử nghiệm riêng biệt. Trong Nightshade, chúng tôi lập mô hình hệ thống dưới dạng một blockchain duy nhất, trong đó mỗi khối chứa tất cả các giao dịch cho tất cả các phân đoạn một cách hợp lý và thay đổi toàn bộ trạng thái của tất cả các mảnh vỡ. Tuy nhiên, về mặt vật lý, không có người tham gia nào tải xuống trạng thái đầy đủ hoặc khối logic đầy đủ. Thay vào đó, mỗi người tham gia mạng chỉ duy trì trạng thái tương ứng với các phân đoạn mà họ xác thực giao dịch và danh sách tất cả các giao dịch trong khối được chia thành các phần vật lý khối, một khối cho mỗi mảnh. Trong điều kiện lý tưởng, mỗi khối chứa chính xác một đoạn trên mỗi phân đoạn. khối, gần tương ứng với mô hình với các chuỗi phân đoạn trong đó chuỗi phân đoạn tạo ra các khối có cùng tốc độ với chuỗi đèn hiệu. Tuy nhiên, do sự chậm trễ của mạng, một số khối có thể bị thiếu, vì vậy trong thực tế mỗi khối chứa một hoặc không khối trên mỗi phân đoạn. Xem phần 3.3 để biết chi tiết về cách khối được sản xuất. Hình 16: Một mô hình có các chuỗi mảnh ở bên trái và có một chuỗi có các khối được chia thành các khối bên phải

3.2 Sự đồng thuận Hai cách tiếp cận chủ yếu để đạt được sự đồng thuận trong blockchain ngày nay là chuỗi dài nhất (hoặc nặng nhất), trong đó chuỗi có nhiều công việc hoặc cổ phần nhất được sử dụng để xây dựng nó được coi là chuẩn và BFT, trong đó đối với mỗi khối một số tập hợp validator đạt được sự đồng thuận BFT. Trong các giao thức được đề xuất gần đây thì cách thứ hai là cách tiếp cận ưu việt hơn, vì nó cung cấp tính hữu hạn ngay lập tức, trong khi ở chuỗi dài nhất cần nhiều khối hơn được xây dựng trên đỉnh của khối để đảm bảo tính cuối cùng. Thường vì một ý nghĩa bảo mật mất thời gian để xây dựng đủ số khối thứ tự giờ. Việc sử dụng sự đồng thuận BFT trên mỗi khối cũng có những nhược điểm, chẳng hạn như: 1. BFT sự đồng thuận đòi hỏi lượng trao đổi đáng kể. Trong khi những tiến bộ gần đây cho phép đạt được sự đồng thuận trong thời gian tuyến tính về số lượng của người tham gia (xem ví dụ: [4]), chi phí này vẫn đáng chú ý trên mỗi khối; 2. Tất cả những người tham gia mạng lưới đều không thể tham gia BFT sự đồng thuận trên mỗi khối, do đó thường chỉ có một tập hợp con người tham gia được lấy mẫu ngẫu nhiên đạt được sự đồng thuận. Về nguyên tắc, một tập hợp được lấy mẫu ngẫu nhiên có thể là về mặt lý thuyết có thể bị hỏng một cách thích ứng và một nhánh phân nhánh có thể được tạo ra. hệ thống hoặc cần phải được lập mô hình để sẵn sàng cho một sự kiện như vậy, và do đó vẫn có quy tắc lựa chọn nhánh bên cạnh sự đồng thuận BFT hoặc được thiết kế để đóng xuống trong một sự kiện như vậy. Điều đáng nói là một số thiết kế như Algorand [5], giảm đáng kể khả năng tham nhũng thích ứng. 3. Quan trọng nhất là hệ thống sẽ ngừng hoạt động nếu 1 3 hoặc nhiều hơn trong số tất cả những người tham gia là ngoại tuyến. Do đó, bất kỳ trục trặc mạng tạm thời hoặc sự chia tách mạng nào cũng có thể khiến hệ thống bị đình trệ hoàn toàn. Lý tưởng nhất là hệ thống phải có khả năng tiếp tục hoạt động miễn là có ít nhất một nửa số người tham gia trực tuyến (nặng nhất các giao thức dựa trên chuỗi tiếp tục hoạt động ngay cả khi có ít hơn một nửa số người tham gia trực tuyến, nhưng mức độ mong muốn của đặc tính này còn gây tranh cãi hơn trong cộng đồng). Một mô hình kết hợp trong đó sự đồng thuận được sử dụng là một trong những mô hình nặng nề nhất chuỗi, nhưng một số khối được hoàn thiện định kỳ bằng cách sử dụng tiện ích cuối cùng BFT duy trì những ưu điểm của cả hai mô hình. BFT tiện ích cuối cùng như vậy là Casper FFG [6] được sử dụng trong Ethereum 2.0 8, Casper CBC (xem https://vitalik. ca/general/2018/12/05/cbc_casper.html) và GRANDPA (xem https:// Medium.com/polkadot-network/d08a24a021b5) được sử dụng trong Polkadot. Nightshade sử dụng sự đồng thuận chuỗi cao nhất. Cụ thể khi một khối nhà sản xuất tạo ra một khối (xem phần 3.3), họ có thể thu thập chữ ký từ các nhà sản xuất khối khác và validator chứng thực khối trước đó. Xem phần 3.8 để biết chi tiết về cách tổng hợp số lượng chữ ký lớn như vậy. trọng lượng 8Ngoài ra, hãy xem phiên bảng trắng với Justin Drake để có cái nhìn tổng quan sâu sắc hơn về Casper FFG và cách nó được tích hợp với sự đồng thuận chuỗi nặng nhất GHOST tại đây: https://www. youtube.com/watch?v=S262StTwkmocủa một khối khi đó là cổ phần tích lũy của tất cả những người ký có chữ ký được đưa vào khối. Trọng lượng của chuỗi là tổng trọng lượng của khối. Để đạt được sự đồng thuận cao nhất trong chuỗi, chúng tôi sử dụng tiện ích cuối cùng sử dụng các chứng thực để hoàn thiện các khối. Để giảm độ phức tạp của hệ thống, chúng tôi sử dụng một tiện ích cuối cùng không ảnh hưởng đến quy tắc lựa chọn ngã ba dưới bất kỳ hình thức nào, và thay vào đó chỉ đưa ra các điều kiện cắt bổ sung, sao cho khi một khối được được hoàn thiện bởi tiện ích cuối cùng, việc phân nhánh là không thể trừ khi có một tỷ lệ phần trăm rất lớn tổng số cổ phần bị cắt giảm. Casper CBC là một tiện ích cuối cùng và chúng tôi hiện đang lưu ý đến mô hình Casper CBC. Chúng tôi cũng làm việc trên một giao thức BFT riêng biệt có tên là TxFlow. Vào thời điểm viết tài liệu này, không rõ liệu TxFlow có được sử dụng thay vì Casper hay không CBC. Tuy nhiên, chúng tôi lưu ý rằng việc lựa chọn tiện ích cuối cùng phần lớn là trực giao với phần còn lại của thiết kế. 3.3 Sản xuất khối Trong Nightshade có hai vai trò: nhà sản xuất khối và validators. Tại bất kỳ điểm hệ thống chứa w nhà sản xuất khối, w = 100 trong mô hình của chúng tôi và wv validators, trong mô hình của chúng tôi v = 100, wv = 10.000. Hệ thống là Bằng chứng cổ phần, có nghĩa là cả nhà sản xuất khối và validator đều có một số quyền nội bộ loại tiền tệ (được gọi là ”tokens”) bị khóa trong một khoảng thời gian vượt xa thời gian họ dành để thực hiện nhiệm vụ xây dựng và xác nhận chuỗi. Giống như tất cả các hệ thống Proof of Stake, không phải tất cả các nhà sản xuất khối w và không tất cả wv validator đều là các thực thể khác nhau vì điều đó không thể thực thi được. Mỗi Tuy nhiên, trong số các nhà sản xuất khối w và wv validators có một sự tách biệt cổ phần. Hệ thống chứa n phân đoạn, n = 1000 trong mô hình của chúng tôi. Như đã đề cập ở phần 3.1, trong Nightshade không có chuỗi phân đoạn, thay vào đó tất cả các nhà sản xuất khối và validator đang xây dựng một blockchain duy nhất mà chúng tôi gọi là chuỗi chính. Trạng thái của chuỗi chính được chia thành n phân đoạn và mỗi khối nhà sản xuất và validator bất kỳ lúc nào cũng chỉ tải xuống cục bộ một tập hợp con của trạng thái tương ứng với một số tập hợp con của phân đoạn và chỉ xử lý và xác thực các giao dịch ảnh hưởng đến các phần đó của trạng thái. Để trở thành nhà sản xuất khối, một người tham gia mạng sẽ khóa một số lượng lớn số lượng tokens (tiền đặt cọc). Việc bảo trì mạng được thực hiện theo thời gian, trong đó một kỷ nguyên là một khoảng thời gian theo thứ tự ngày. Những người tham gia với w cổ phần lớn nhất vào đầu một kỷ nguyên cụ thể là khối nhà sản xuất của thời đại đó. Mỗi nhà sản xuất khối được gán cho các phân đoạn sw, (giả sử sw = 40, điều này sẽ tạo ra sww/n = 4 nhà sản xuất khối trên mỗi phân đoạn). khối nhà sản xuất tải xuống trạng thái của phân đoạn mà họ được chỉ định trước kỷ nguyên bắt đầu và trong suốt thời kỳ đó sẽ thu thập các giao dịch ảnh hưởng đến phân đoạn đó, và áp dụng chúng cho nhà nước. Đối với mỗi khối b trên chuỗi chính và với mỗi phân đoạn, có một trong giao các nhà sản xuất khối cho s, người chịu trách nhiệm sản xuất phần liên quan của b đến mảnh vỡ. Phần của b liên quan đến phân đoạn s được gọi là đoạn và chứa danh sách các giao dịch cho phân đoạn được bao gồm trong b, cũng như merklegốc của trạng thái kết quả. b cuối cùng sẽ chỉ chứa một tiêu đề rất nhỏ của đoạn, cụ thể là gốc merkle của tất cả các giao dịch được áp dụng (xem phần 3.7.1 để biết chi tiết chính xác) và nghiệm merkle của trạng thái cuối cùng. Trong suốt phần còn lại của tài liệu, chúng tôi thường đề cập đến nhà sản xuất khối có trách nhiệm tạo ra một đoạn tại một thời điểm cụ thể cho một phân đoạn cụ thể với tư cách là một nhà sản xuất chunk. Nhà sản xuất chunk luôn là một trong những nhà sản xuất khối. Các nhà sản xuất khối và các nhà sản xuất khối xoay vòng từng khối theo theo một lịch trình cố định. Các nhà sản xuất khối có đơn đặt hàng và liên tục sản xuất khối theo thứ tự đó. Ví dụ. nếu có 100 nhà sản xuất khối thì khối đầu tiên nhà sản xuất chịu trách nhiệm sản xuất khối 1, 101, 201, v.v., khối thứ hai là chịu trách nhiệm sản xuất 2, 102, 202, v.v.). Vì sản xuất theo khối, không giống như sản xuất theo khối, đòi hỏi phải duy trì trạng thái và đối với mỗi phân đoạn, chỉ có nhà sản xuất khối sww/n mới duy trì trạng thái trên mỗi phân đoạn, tương ứng chỉ những nhà sản xuất khối sww/n mới xoay vòng để tạo khối. Ví dụ. với các hằng số ở trên với bốn nhà sản xuất khối được gán cho mỗi phân đoạn, mỗi nhà sản xuất khối sẽ tạo ra các khối cứ bốn khối một lần. 3,4 Đảm bảo tính sẵn có của dữ liệu Để đảm bảo tính khả dụng của dữ liệu, chúng tôi sử dụng phương pháp tương tự như phương pháp của Polkadot được mô tả ở phần 2.5.3. Khi nhà sản xuất khối tạo ra một đoạn, họ sẽ tạo một phiên bản được mã hóa xóa của nó với mã khối tối ưu (w, ⌊w/6 + 1⌋) của khúc. Sau đó, họ gửi một phần của đoạn mã bị xóa (chúng tôi gọi những phần đó là từng phần hoặc chỉ các phần) cho mỗi nhà sản xuất khối. Chúng tôi tính toán một cây merkle chứa tất cả các phần là lá và tiêu đề của mỗi đoạn chứa gốc merkle của cây đó. Các bộ phận được gửi tới validator thông qua tin nhắn một phần. Mỗi tin nhắn như vậy chứa tiêu đề chunk, thứ tự của phần và nội dung phần. các tin nhắn cũng chứa chữ ký của nhà sản xuất khối đã tạo ra chunk và đường dẫn merkle để chứng minh rằng phần đó tương ứng với tiêu đề và được sản xuất bởi nhà sản xuất khối thích hợp. Khi nhà sản xuất khối nhận được khối chuỗi chính, trước tiên họ sẽ kiểm tra xem chúng có có các thông điệp một phần cho mỗi đoạn được bao gồm trong khối. Nếu không, khối không được xử lý cho đến khi các tin nhắn onepart bị thiếu được lấy ra. Sau khi nhận được tất cả các tin nhắn một phần, nhà sản xuất khối sẽ tìm nạp các phần còn lại từ các đồng nghiệp và xây dựng lại các khối mà chúng nắm giữ nhà nước. Nhà sản xuất khối không xử lý khối chuỗi chính nếu có ít nhất một khối đoạn được bao gồm trong khối thì chúng không có thông báo một phần tương ứng hoặc nếu đối với ít nhất một phân đoạn mà chúng duy trì trạng thái thì chúng không thể xây dựng lại toàn bộ đoạn. Để có sẵn một đoạn cụ thể, chỉ cần ⌊w/6⌋+1 của khối là đủ nhà sản xuất có bộ phận của họ và phục vụ họ. Vì vậy, miễn là số lượng tác nhân độc hại không vượt quá ⌊w/3⌋không có chuỗi nào có hơn nửa khối các nhà sản xuất xây dựng nó có thể có những phần không có sẵn.Hình 17: Mỗi khối chứa một hoặc không có khối trên mỗi phân đoạn và mỗi khối được mã hóa xóa. Mỗi phần của đoạn mã xóa được gửi đến một địa chỉ được chỉ định nhà sản xuất khối thông qua tin nhắn onepart đặc biệt 3.4.1 Đối phó với các nhà sản xuất khối lười biếng Nếu nhà sản xuất khối có một khối bị thiếu thông báo một phần, họ sẽ có thể chọn vẫn đăng nhập vào nó, bởi vì nếu khối đó cuối cùng vẫn nằm trong chuỗi sẽ tối đa hóa phần thưởng cho nhà sản xuất khối. Không có rủi ro cho việc chặn nhà sản xuất vì sau này không thể chứng minh rằng nhà sản xuất khối không có tin nhắn một phần. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi tạo ra mỗi nhà sản xuất đoạn khi tạo đoạn để chọn một màu (đỏ hoặc xanh) cho từng phần của đoạn được mã hóa trong tương lai và lưu trữ bitmask của màu được gán trong đoạn trước khi nó được mã hóa. Mỗi phần một sau đó thông báo chứa màu được gán cho phần đó và màu này được sử dụng khi tính toán gốc merkle của các phần được mã hóa. Nếu nhà sản xuất chunk đi chệch hướng từ giao thức, điều đó có thể được chứng minh dễ dàng vì gốc merkle sẽ không tương ứng với tin nhắn một phần hoặc màu sắc trong tin nhắn một phần tương ứng với gốc merkle sẽ không khớp với mặt nạ trong đoạn. Khi nhà sản xuất khối ký vào một khối, họ sẽ bao gồm một bitmask của tất cả phần màu đỏ mà họ nhận được cho các khối có trong khối. Xuất bản một bitmask không chính xác là một hành vi có thể gạch chéo. Nếu nhà sản xuất khối chưa nhận được một tin nhắn, họ không có cách nào biết được màu sắc của tin nhắn, và do đó có 50% khả năng bị chém nếu họ cố gắng mù quáng ký vào bản hợp đồng. khối. 3,5 Ứng dụng chuyển trạng thái Nhà sản xuất khối chỉ chọn những giao dịch nào sẽ được đưa vào khối nhưng không áp dụng chuyển đổi trạng thái khi chúng tạo ra một đoạn. Tương ứng,

tiêu đề chunk chứa gốc merkle của trạng thái merkelized như trước các giao dịch trong chunk được áp dụng. Các giao dịch chỉ được áp dụng khi một khối đầy đủ bao gồm đoạn được xử lý. Một người tham gia chỉ xử lý một khối nếu 1. Khối trước đó đã được nhận và xử lý; 2. Đối với mỗi đoạn, người tham gia không duy trì trạng thái vì họ có đã xem tin nhắn onepart; 3. Đối với mỗi đoạn, người tham gia duy trì trạng thái vì họ có đoạn đầy đủ. Sau khi khối được xử lý, đối với mỗi phân đoạn mà người tham gia duy trì trạng thái, áp dụng các giao dịch và tính toán trạng thái mới kể từ sau khi các giao dịch được áp dụng, sau đó họ đã sẵn sàng sản xuất các khối cho khối tiếp theo, nếu chúng được gán cho bất kỳ phân đoạn nào, vì chúng có gốc merkle của trạng thái merkelized mới. 3.6 Giao dịch và biên lai chéo Nếu một giao dịch cần ảnh hưởng đến nhiều phân đoạn, thì nó cần phải được thực hiện liên tục được thực hiện trong từng phân đoạn riêng biệt. Giao dịch đầy đủ được gửi đến phân đoạn đầu tiên bị ảnh hưởng và khi giao dịch được bao gồm trong khối cho phân đoạn đó và được áp dụng sau khi đoạn được đưa vào một khối, nó tạo ra cái gọi là biên nhận giao dịch, được chuyển đến phân đoạn tiếp theo mà giao dịch cần thực hiện được thực thi. Nếu cần nhiều bước hơn, việc thực hiện giao dịch nhận tạo ra một giao dịch biên nhận mới, v.v. 3.6.1 Thời gian nhận giao dịch Điều mong muốn là giao dịch nhận được áp dụng trong khối ngay sau khối mà nó được tạo. Giao dịch nhận tiền chỉ được tạo sau khi khối trước đó được các nhà sản xuất khối nhận và áp dụng duy trì phân đoạn ban đầu và cần được biết vào thời điểm chunk cho khối tiếp theo được tạo ra bởi nhà sản xuất khối của đích mảnh vỡ. Do đó, biên nhận phải được truyền từ phân đoạn nguồn đến phân đoạn đích trong khung thời gian ngắn giữa hai sự kiện đó. Đặt A là khối được tạo cuối cùng chứa giao dịch t tạo ra biên nhận r. Đặt B là khối được tạo tiếp theo (tức là khối có A là khối trước đó của nó) mà chúng ta muốn chứa r. Đặt t ở trong mảnh a và r là trong mảnh vỡ b. Thời hạn sử dụng của biên nhận, cũng được mô tả trên hình 18, như sau: Lập và lưu trữ hóa đơn. Cpa của nhà sản xuất chunk cho phân đoạn a nhận khối A, áp dụng giao dịch t và tạo biên nhận r. cpa sau đó lưu trữ tất cả các biên lai được tạo ra như vậy trong bộ lưu trữ liên tục nội bộ được lập chỉ mục theo id phân đoạn nguồn.Phân phối các khoản thu. Khi cpa đã sẵn sàng để tạo đoạn cho phân đoạn a cho khối B, họ tìm nạp tất cả các biên lai được tạo bằng cách áp dụng các giao dịch từ khối A cho phân đoạn a và đưa chúng vào đoạn cho phân đoạn a trong khối B. Một khi đoạn như vậy được tạo ra, cpa sẽ tạo ra mã xóa của nó phiên bản và tất cả các thông báo onepart tương ứng. cpa biết nhà sản xuất khối nào duy trì trạng thái đầy đủ cho phân đoạn nào. Đối với một nhà sản xuất khối cụ thể bp cpa bao gồm các khoản thu được từ việc áp dụng các giao dịch trong khối A đối với phân đoạn a có bất kỳ phân đoạn nào mà bp quan tâm làm đích đến của họ trong tin nhắn onepart khi họ phân phối đoạn cho phân đoạn a trong khối B (xem hình 17, hiển thị các biên nhận có trong thông báo một phần). Nhận biên lai. Hãy nhớ rằng những người tham gia (cả nhà sản xuất khối và validator) không xử lý các khối cho đến khi họ có thông báo một phần cho mỗi đoạn có trong khối. Do đó, vào thời điểm bất kỳ người tham gia cụ thể nào áp dụng khối B, họ có tất cả các thông báo một phần tương ứng với các khối trong B và do đó họ có tất cả các biên nhận đến có các phân đoạn người tham gia duy trì trạng thái làm điểm đến của họ. Khi áp dụng các chuyển trạng thái cho một phân đoạn cụ thể, người tham gia sẽ áp dụng cả biên lai mà họ đã thu thập cho phân đoạn trong tin nhắn một phần, cũng như tất cả các giao dịch được bao gồm trong chính đoạn đó. Hình 18: Thời gian tồn tại của một giao dịch biên nhận 3.6.2 Xử lý quá nhiều biên lai Có thể số lượng biên lai nhắm mục tiêu vào một phân đoạn cụ thể trong một khối cụ thể quá lớn để được xử lý. Ví dụ, hãy xem xét hình 19, trong mỗi giao dịch trong mỗi phân đoạn sẽ tạo ra một biên nhận nhắm mục tiêu phân đoạn 1. Ở khối tiếp theo, số biên nhận mà phân đoạn 1 cần xử lý là có thể so sánh với tải mà tất cả các phân đoạn kết hợp được xử lý trong khi xử lý khối trước đó.

Hình 19: Nếu tất cả các khoản thu đều nhắm mục tiêu vào cùng một phân đoạn thì phân đoạn đó có thể không có khả năng xử lý chúng Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi sử dụng một kỹ thuật tương tự như kỹ thuật được sử dụng trong QuarkChain 9. Cụ thể, đối với mỗi phân đoạn, khối B cuối cùng và phân đoạn cuối cùng trong đó khối mà biên lai được áp dụng được ghi lại. Khi có phân đoạn mới được tạo, biên nhận được áp dụng theo thứ tự đầu tiên từ các phân đoạn còn lại trong B, và sau đó theo các khối theo B, cho đến khi khối mới đầy. Dưới mức bình thường trường hợp có tải trọng cân bằng nhìn chung sẽ dẫn đến tất cả các khoản thu đang được áp dụng (và do đó phân đoạn cuối cùng của khối cuối cùng sẽ được ghi lại cho từng đoạn), nhưng trong những thời điểm tải không cân bằng và một phần cụ thể phân đoạn nhận được nhiều biên lai không tương xứng, kỹ thuật này cho phép họ được xử lý đồng thời tôn trọng các giới hạn về số lượng giao dịch được đưa vào. Lưu ý rằng nếu tải không cân bằng như vậy tồn tại trong một thời gian dài thì độ trễ từ việc tạo biên lai cho đến khi ứng dụng có thể tiếp tục phát triển vô thời hạn. một cách để giải quyết vấn đề này là loại bỏ bất kỳ giao dịch nào tạo ra biên nhận nhắm mục tiêu phân đoạn có độ trễ xử lý vượt quá một số hằng số (ví dụ: một kỷ nguyên). Hãy xem xét hình 20. Theo khối B, phân đoạn 4 không thể xử lý tất cả các biên nhận, vì vậy nó chỉ xử lý nguồn gốc biên lai từ tối đa phân đoạn 3 trong khối A và ghi lại nó. Trong khối C, bao gồm các khoản thu lên tới phân đoạn 5 trong khối B và sau đó đến khối D, phân đoạn sẽ bắt kịp, xử lý tất cả các khoản thu còn lại trong khối B và tất cả các khoản thu từ khối C. 3,7 Xác thực khối Một đoạn được tạo cho một phân đoạn cụ thể (hoặc một khối phân đoạn được tạo cho một chuỗi phân đoạn cụ thể trong mô hình có chuỗi phân đoạn) chỉ có thể được xác thực bởi 9Xem tập bảng trắng với QuarkChain tại đây: https://www.youtube.com/watch? v=opEtG6NM4x4, trong đó cách tiếp cận các giao dịch chéo được thảo luận, cùng với các vấn đề khác nhiều thứHình 20: Xử lý biên lai bị trì hoãn những người tham gia duy trì trạng thái. Họ có thể là nhà sản xuất khối, validators, hoặc chỉ những nhân chứng bên ngoài đã tải xuống trạng thái và xác thực phân đoạn trong mà họ lưu trữ tài sản. Trong tài liệu này chúng tôi giả định rằng phần lớn những người tham gia không thể lưu trữ trạng thái cho một phần lớn các phân đoạn. Tuy nhiên, điều đáng nói là rằng có blockchain được phân chia được thiết kế với giả định rằng hầu hết người tham gia đều có khả năng lưu trữ trạng thái và xác thực hầu hết các phân đoạn, chẳng hạn như QuarkChain. Vì chỉ một phần nhỏ người tham gia có trạng thái xác thực phân đoạn các khối, có thể thích ứng với tham nhũng chỉ những người tham gia có trạng thái và áp dụng chuyển đổi trạng thái không hợp lệ. Nhiều thiết kế phân đoạn đã được đề xuất lấy mẫu validator cứ sau vài lần ngày và trong vòng một ngày, bất kỳ khối nào trong chuỗi phân đoạn có hơn 2/3 chữ ký của validator được gán cho phân đoạn đó sẽ được xem xét ngay lập tức cuối cùng. Với cách tiếp cận như vậy, đối thủ thích ứng chỉ cần làm hỏng 2n/3+1 của validator trong chuỗi phân đoạn để áp dụng chuyển đổi trạng thái không hợp lệ, trong đó, mặc dù có thể khó thực hiện nhưng mức độ bảo mật không đủ cho công chúng blockchain. Như đã thảo luận trong phần 2.3, cách tiếp cận phổ biến là cho phép một khoảng thời gian nhất định sau khi khối được tạo cho bất kỳ người tham gia nào có trạng thái (cho dù đó là nhà sản xuất khối, validator hoặc người quan sát bên ngoài) để thách thức tính hợp lệ của nó. Những người tham gia như vậy được gọi là Ngư dân. Để một ngư dân có thể thách thức một khối không hợp lệ, phải đảm bảo rằng khối đó có sẵn để họ. Tính khả dụng của dữ liệu trong Nightshade được thảo luận trong phần 3.4. Trong Nightshade khi một khối được tạo ra, các khối không được xác thực bởi bất cứ ai ngoại trừ nhà sản xuất chunk thực sự. Đặc biệt, nhà sản xuất khối đó đề xuất khối tự nhiên không có trạng thái cho hầu hết các phân đoạn vàđã không thể xác nhận các khối. Khi khối tiếp theo được tạo ra, nó chứa các chứng thực (xem phần 3.2) của nhiều nhà sản xuất khối và validators, nhưng vì phần lớn các nhà sản xuất khối và validator không duy trì trạng thái đối với hầu hết các phân đoạn, một khối chỉ có một đoạn không hợp lệ sẽ thu thập được hơn một nửa số chứng thực và sẽ tiếp tục ở trạng thái nặng nhất. chuỗi. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi cho phép bất kỳ người tham gia nào duy trì trạng thái một phân đoạn để gửi thử thách trên chuỗi cho bất kỳ đoạn không hợp lệ nào được tạo ra trong đó mảnh vỡ. 3.7.1 Thử thách tính hợp lệ của trạng thái Khi người tham gia phát hiện thấy một đoạn cụ thể không hợp lệ, họ cần cung cấp bằng chứng cho thấy đoạn đó không hợp lệ. Vì phần lớn những người tham gia mạng không duy trì trạng thái cho phân đoạn có đoạn không hợp lệ được tạo ra, bằng chứng cần phải có đủ thông tin để xác nhận khối đó là không hợp lệ nếu không có trạng thái. Chúng tôi đặt giới hạn Ls về số lượng trạng thái (tính bằng byte) mà một giao dịch đơn lẻ có thể đọc hoặc viết tích lũy. Bất kỳ giao dịch nào chạm nhiều hơn Ls trạng thái được coi là không hợp lệ. Hãy nhớ từ phần 3.5 rằng đoạn trong khối B cụ thể chỉ chứa các giao dịch được áp dụng chứ không chứa gốc trạng thái mới. Gốc trạng thái có trong đoạn trong khối B là trạng thái root trước khi áp dụng các giao dịch đó, nhưng sau khi áp dụng các giao dịch từ đoạn cuối cùng trong cùng phân đoạn trước khối B. Một tác nhân độc hại mong muốn áp dụng chuyển đổi trạng thái không hợp lệ sẽ bao gồm gốc trạng thái không chính xác trong khối B không tương ứng với gốc trạng thái do áp dụng các giao dịch ở đoạn trước. Chúng tôi mở rộng thông tin mà nhà sản xuất chunk đưa vào chunk. Thay vì chỉ thêm trạng thái sau khi áp dụng tất cả các giao dịch, nó thay vào đó bao gồm một gốc trạng thái sau khi áp dụng từng bộ giao dịch liền kề đọc và ghi chung Ls byte trạng thái. Với thông tin này cho Fisherman tạo ra một thách thức rằng việc chuyển đổi trạng thái được áp dụng không chính xác là đủ để tìm ra gốc trạng thái không hợp lệ đầu tiên và chỉ bao gồm Ls byte của trạng thái bị ảnh hưởng bởi các giao dịch giữa trạng thái gốc cuối cùng (được hợp lệ) và trạng thái gốc hiện tại với bằng chứng merkle. Sau đó bất kỳ người tham gia nào có thể xác thực các giao dịch trong phân đoạn và xác nhận rằng đoạn đó là không hợp lệ. Tương tự, nếu nhà sản xuất chunk cố gắng đưa vào các giao dịch đọc và ghi nhiều hơn L byte trạng thái, đối với thử thách này, chỉ cần bao gồm Ls byte đầu tiên mà nó chạm tới với bằng chứng merkle, điều này sẽ đủ để áp dụng các giao dịch và xác nhận rằng sẽ có lúc cố gắng thực hiện đọc hoặc ghi nội dung vượt quá Ls byte được thực hiện.

3.7.2 Ngư dân và giao dịch xuyên mảnh nhanh chóng Như đã thảo luận trong phần 2.3, khi chúng ta giả định rằng các đoạn phân đoạn (hoặc phân đoạn các khối trong mô hình có chuỗi phân đoạn) có thể không hợp lệ và gây ra thách thức theo thời gian, nó ảnh hưởng tiêu cực đến tính cuối cùng và do đó giao tiếp giữa các phân đoạn. trong cụ thể, phân đoạn đích của bất kỳ chuyển đổi chéo nào đều không thể chắc chắn đoạn hoặc khối phân đoạn ban đầu là cuối cùng cho đến khi giai đoạn thử thách kết thúc (xem hình 21). Hình 21: Chờ đợi thời gian thử thách trước khi áp dụng biên nhận Cách giải quyết vấn đề theo cách thực hiện các giao dịch chéo tức thời là để mảnh đích không phải đợi đến giai đoạn thử thách sau khi giao dịch phân đoạn nguồn được xuất bản và áp dụng giao dịch biên nhận ngay lập tức, nhưng sau đó khôi phục phân đoạn đích cùng với phân đoạn nguồn phân đoạn nếu sau đó đoạn hoặc khối ban đầu được phát hiện là không hợp lệ (xem hình 22). Điều này áp dụng rất tự nhiên cho thiết kế Nightshade trong đó mảnh vỡ các chuỗi không độc lập mà thay vào đó, các đoạn phân đoạn đều được xuất bản cùng nhau trong cùng một khối chuỗi chính. Nếu bất kỳ đoạn nào được phát hiện là không hợp lệ, toàn bộ khối có đoạn đó được coi là không hợp lệ và tất cả các khối được xây dựng trên trên hết. Xem hình 23. Cả hai cách tiếp cận trên đều cung cấp tính nguyên tử giả định rằng thách thức thời gian đủ dài. Chúng tôi sử dụng phương pháp thứ hai vì việc cung cấp các giao dịch chéo nhanh trong các trường hợp thông thường sẽ vượt qua sự bất tiện của phân đoạn đích quay trở lại do chuyển đổi trạng thái không hợp lệ ở một trong các các mảnh nguồn, đây là một sự kiện cực kỳ hiếm. 3.7.3 Đang ẩn validators Sự tồn tại của những thách thức đã làm giảm đáng kể khả năng xảy ra tham nhũng thích ứng, vì để hoàn thiện một đoạn có bài chuyển đổi trạng thái không hợp lệHình 22: Áp dụng biên lai ngay lập tức và quay trở lại điểm đến chuỗi nếu chuỗi nguồn có khối không hợp lệ Hình 23: Thử thách làm ngư dân trong Nightshade giai đoạn thử thách mà đối thủ thích ứng cần để làm hỏng tất cả những người tham gia duy trì trạng thái của phân đoạn, bao gồm tất cả validator. Việc ước tính khả năng xảy ra một sự kiện như vậy là vô cùng phức tạp, vì không có sharded blockchain đã tồn tại đủ lâu để thực hiện bất kỳ cuộc tấn công nào như vậy. Chúng tôi lập luận rằng xác suất, mặc dù cực kỳ thấp, nhưng vẫn đủ lớn đối với một hệ thống dự kiến sẽ thực hiện hàng triệu giao dịch và điều hành các hoạt động tài chính trên toàn thế giới. Có hai lý do chính cho niềm tin này: 1. Hầu hết validator của chuỗi Bằng chứng cổ phần và công cụ khai thác của

Chuỗi Proof-of-Work chủ yếu được khuyến khích bởi lợi ích tài chính. Nếu một đối thủ có khả năng thích ứng mang lại cho họ nhiều tiền hơn lợi nhuận kỳ vọng từ việc vận hành một cách trung thực, thật hợp lý khi mong đợi rằng nhiều validators sẽ chấp nhận lời đề nghị. 2. Nhiều tổ chức thực hiện xác thực chuỗi Proof-of-Stake một cách chuyên nghiệp và người ta dự kiến rằng một tỷ lệ lớn cổ phần trong bất kỳ chuỗi nào sẽ được từ các thực thể đó. Số lượng các thực thể như vậy đủ nhỏ để đối thủ thích nghi để tìm hiểu cá nhân hầu hết họ và có một hiểu rõ khuynh hướng của họ là bị tha hóa. Chúng tôi tiến thêm một bước nữa trong việc giảm khả năng xảy ra lỗi thích ứng bằng cách ẩn validator được gán cho phân đoạn nào. Ý tưởng là tương tự như cách Algorand [5] che giấu validators. Điều quan trọng cần lưu ý là ngay cả khi validator bị ẩn, như trong Algorand hoặc như được mô tả dưới đây, về mặt lý thuyết, tham nhũng thích ứng vẫn có thể xảy ra. Trong khi đối thủ thích ứng không biết những người tham gia sẽ tạo hoặc xác thực một khối hay một đoạn, bản thân những người tham gia đều biết rằng họ sẽ thực hiện một nhiệm vụ như vậy và có bằng chứng mật mã về nó. Vì vậy, đối thủ có thể truyền bá ý định tham nhũng của họ và trả tiền cho bất kỳ người tham gia nào sẽ cung cấp một bằng chứng mật mã như vậy. Tuy nhiên, chúng tôi lưu ý rằng vì đối thủ không biết validator được gán cho phân đoạn mà chúng muốn làm hỏng, chúng không có lựa chọn nào khác ngoài việc truyền bá ý định làm hỏng một phân đoạn cụ thể tới toàn bộ cộng đồng. Vào thời điểm đó, nó mang lại lợi ích kinh tế cho bất kỳ người trung thực nào. người tham gia tạo ra một nút đầy đủ để xác thực phân đoạn đó vì có mức cao khả năng một khối không hợp lệ xuất hiện trong phân đoạn đó, đây là cơ hội để tạo ra một thử thách và thu thập phần thưởng liên quan. Để không tiết lộ validator được gán cho một phân đoạn cụ thể, chúng tôi thực hiện sau đây (xem hình 24): Sử dụng VRF để nhận nhiệm vụ. Vào đầu mỗi thời đại, mỗi validator sử dụng VRF để lấy mặt nạ bit của các phân đoạn mà validator được gán cho. Mặt nạ bit của mỗi validator sẽ có các bit Sw (xem phần 3.3 để biết định nghĩa của Sw). validator sau đó tìm nạp trạng thái của các phân đoạn tương ứng và trong kỷ nguyên cho mỗi khối nhận được sẽ xác thực các khối tương ứng vào các phân đoạn mà validator được gán cho. Đăng nhập vào khối thay vì khối. Vì việc gán phân đoạn bị ẩn nên validator không thể đăng nhập vào các phân đoạn. Thay vào đó nó luôn ký trên toàn bộ chặn, do đó không tiết lộ những phân đoạn mà nó xác nhận. Cụ thể, khi validator nhận được một khối và xác thực tất cả các khối, nó sẽ tạo ra một thông báo chứng thực rằng tất cả các đoạn trong tất cả các phân đoạn mà validator được chỉ định là hợp lệ (không cho biết những phân đoạn đó là gì) hoặc một thông báo rằng chứa bằng chứng về việc chuyển đổi trạng thái không hợp lệ nếu bất kỳ đoạn nào không hợp lệ. Xem phần 3.8 để biết chi tiết về cách tổng hợp các thông báo đó, phần 3.7.4 để biết chi tiết về cách ngăn chặn validator lợi dụng tin nhắn từ validators khác và phần 3.7.5 để biết chi tiết về cách khen thưởng và trừng phạt validators nếu thử thách chuyển đổi trạng thái không hợp lệ thành công thực sự xảy ra.Hình 24: Che giấu validator trong Nightshade 3.7.4 Cam kết-Tiết lộ Một trong những vấn đề phổ biến với validator là validator có thể bỏ qua việc tải xuống trạng thái và thực sự xác thực các khối và khối, thay vào đó quan sát mạng, xem những gì validator khác gửi và lặp lại tin nhắn. validator tuân theo chiến lược như vậy sẽ không cung cấp thêm bất kỳ bảo mật cho mạng nhưng thu thập phần thưởng. Một giải pháp phổ biến cho vấn đề này là mỗi validator cung cấp bằng chứng rằng họ thực sự đã xác thực khối đó, chẳng hạn như bằng cách cung cấp dấu vết duy nhất áp dụng chuyển đổi trạng thái, nhưng những bằng chứng như vậy làm tăng đáng kể chi phí xác nhận. Hình 25: Cam kết tiết lộ

Thay vào đó, chúng tôi thực hiện cam kết đầu tiên của validator với kết quả xác thực (hoặc thông báo chứng thực tính hợp lệ của các khối hoặc bằng chứng về tính hợp lệ của chuyển trạng thái), đợi một khoảng thời gian nhất định và chỉ sau đó mới tiết lộ kết quả xác thực thực tế, như được hiển thị trên hình 25. Khoảng thời gian cam kết không giao nhau với khoảng thời gian tiết lộ và do đó một validator lười biếng không thể bắt chước những validator trung thực. Hơn nữa, nếu một validator không trung thực cam kết thực hiện một thông báo chứng thực tính hợp lệ của các đoạn được gán và ít nhất một đoạn không hợp lệ một khi nó được đã chỉ ra rằng đoạn đó không hợp lệ nên validator không thể tránh được việc gạch chéo, vì, như chúng tôi trình bày trong phần 3.7.5, cách duy nhất để không bị chém trong tình huống như vậy là đưa ra một thông báo chứa bằng chứng về việc chuyển đổi trạng thái không hợp lệ phù hợp với cam kết. 3.7.5 Xử lý thử thách Như đã thảo luận ở trên, khi validator nhận được một khối có đoạn không hợp lệ, đầu tiên họ chuẩn bị bằng chứng về sự chuyển đổi trạng thái không hợp lệ (xem phần 3.7.1), sau đó cam kết với một bằng chứng như vậy (xem 3.7.4), và sau một thời gian hãy tiết lộ thách thức. Khi thử thách được tiết lộ được đưa vào một khối, điều sau đây sẽ xảy ra: 1. Tất cả các chuyển đổi trạng thái xảy ra từ khối chứa đoạn không hợp lệ cho đến khi khối chứa thử thách được tiết lộ bị vô hiệu hóa. Trạng thái trước khối bao gồm thử thách được tiết lộ được coi là giống với trạng thái trước khối chứa đoạn không hợp lệ. 2. Trong một khoảng thời gian nhất định, mỗi validator phải tiết lộ mặt nạ bit của mình của các phân đoạn mà họ xác nhận. Vì mặt nạ bit được tạo thông qua VRF, nếu họ được gán cho phân đoạn có quá trình chuyển đổi trạng thái không hợp lệ, họ không thể tránh khỏi việc tiết lộ nó. Bất kỳ validator nào không tiết lộ được mặt nạ bit được cho là được gán cho phân đoạn. 3. Mỗi validator sau khoảng thời gian đó được phát hiện sẽ được gán cho phân đoạn, đã cam kết với một số kết quả xác thực cho khối chứa đoạn không hợp lệ và điều đó không tiết lộ bằng chứng về việc chuyển đổi trạng thái không hợp lệ tương ứng với cam kết của họ bị cắt giảm. 4. Mỗi validator nhận được một phân đoạn mới và một kỷ nguyên mới được lên lịch bắt đầu sau một khoảng thời gian đủ để tất cả validator tải xuống trạng thái, như thể hiện trên hình 26. Lưu ý rằng kể từ thời điểm validator tiết lộ các phân đoạn mà chúng được chỉ định cho đến khi kỷ nguyên mới bắt đầu, tính bảo mật của hệ thống sẽ bị giảm do phân công mảnh vỡ được tiết lộ. Những người tham gia mạng cần phải giữ nó lưu ý khi sử dụng mạng trong thời gian đó. 3,8 Tổng hợp chữ ký Để một hệ thống có hàng trăm phân đoạn hoạt động an toàn, chúng tôi muốn có trên đơn hàng từ 10.000 trở lên validators. Như đã thảo luận trong phần 3.7, chúng tôi muốn mỗiHình 26: Xử lý thử thách validator để xuất bản một cam kết cho một tin nhắn nhất định và một chữ ký ở mức trung bình một lần cho mỗi khối. Ngay cả khi các thông điệp cam kết giống nhau, việc tổng hợp như vậy Chữ ký BLS và việc xác nhận nó sẽ rất tốn kém. Nhưng đương nhiên các thông báo cam kết và tiết lộ không giống nhau trên validators, và do đó chúng ta cần một số cách để tổng hợp các thông điệp và chữ ký đó trong một cách cho phép xác nhận nhanh chóng sau này. Cách tiếp cận cụ thể mà chúng tôi sử dụng như sau: Người xác nhận tham gia các nhà sản xuất khối. Các nhà sản xuất khối được biết đến một thời gian trước khi kỷ nguyên bắt đầu, vì họ cần một chút thời gian để tải xuống trạng thái trước khi kỷ nguyên bắt đầu và không giống như validator, các nhà sản xuất khối không che giấu. Mỗi nhà sản xuất khối có v validator vị trí. Trình xác nhận gửi đề xuất ngoài chuỗi cho các nhà sản xuất khối để được đưa vào như một trong những v validators. Nếu nhà sản xuất khối muốn bao gồm validator, họ sẽ gửi giao dịch chứa yêu cầu ngoài chuỗi ban đầu từ validator và chữ ký của nhà sản xuất khối khiến validator tham gia nhà sản xuất khối. Lưu ý rằng validator được gán cho nhà sản xuất khối không nhất thiết xác thực các phân đoạn tương tự mà nhà sản xuất khối tạo ra các khối. Nếu một validator áp dụng để tham gia nhiều nhà sản xuất khối, chỉ giao dịch từ nhà sản xuất khối đầu tiên sẽ thành công. Các nhà sản xuất khối thu thập các cam kết. Nhà sản xuất khối liên tục thu thập các thông báo cam kết và tiết lộ từ validator. Khi một số lượng tin nhắn như vậy nhất định được tích lũy, nhà sản xuất khối sẽ tính toán một merkle cây của những tin nhắn này và gửi tới mỗi validator gốc merkle và đường dẫn merkle đến tin nhắn của họ. validator xác thực đường dẫn và đăng nhập rễ merkle. Sau đó, nhà sản xuất khối sẽ tích lũy chữ ký BLS trên gốc merkle từ validators và chỉ xuất bản gốc merkle và chữ ký tích lũy Nhà sản xuất khối cũng ký vào tính hợp lệ của đa chữ ký bằng cách sử dụng chữ ký ECDSA giá rẻ. Nếu đa chữ ký không khớp với gốc merkle được gửi hoặc bitmask của validator tham gia, đó là hành vi có thể cắt được. Khi đồng bộ hóa chuỗi, người tham gia có thể chọn xác thực tất cả chữ ký BLS từ các validator (việc này cực kỳ tốn kém vì nó liên quan đến việc tổng hợp các khóa công khai của validator) hoặc chỉchữ ký ECDMA từ các nhà sản xuất khối và dựa vào thực tế là nhà sản xuất khối không bị thách thức và bị chém. Sử dụng các giao dịch trên chuỗi và bằng chứng merkle để giải quyết các thách thức. Nó có thể lưu ý rằng việc tiết lộ tin nhắn từ validator sẽ không có giá trị gì nếu không chuyển đổi trạng thái không hợp lệ đã được phát hiện. Chỉ những tin nhắn có chứa thông tin thực tế bằng chứng về việc chuyển đổi trạng thái không hợp lệ cần phải được tiết lộ và chỉ dành cho những tin nhắn như vậy nó cần phải được chứng minh rằng chúng phù hợp với cam kết trước đó. Thông điệp cần phải được tiết lộ nhằm hai mục đích: 1. Để thực sự bắt đầu quá trình khôi phục chuỗi về thời điểm trước khi thực hiện chuyển trạng thái không hợp lệ (xem phần 3.7.5). 2. Để chứng minh rằng validator không cố gắng chứng thực tính hợp lệ của đoạn không hợp lệ. Trong cả hai trường hợp, chúng ta cần giải quyết hai vấn đề: 1. Cam kết thực tế không được đưa vào chuỗi, chỉ có gốc merkle của cam kết tổng hợp với các tin nhắn khác. validator cần sử dụng đường dẫn merkle do nhà sản xuất khối cung cấp và cam kết ban đầu của họ đối với chứng minh rằng họ đã cam kết với thử thách. 2. Có thể tất cả validator được gán cho phân đoạn có giá trị không hợp lệ quá trình chuyển đổi trạng thái xảy ra được gán cho các nhà sản xuất khối bị hỏng đang kiểm duyệt chúng. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi cho phép họ gửi tiết lộ của mình như một giao dịch thông thường trên chuỗi và bỏ qua việc tổng hợp. Cái sau chỉ được phép đối với các bằng chứng về sự chuyển đổi trạng thái không hợp lệ, đó là cực kỳ hiếm và do đó sẽ không dẫn đến việc gửi thư rác vào các khối. Vấn đề cuối cùng cần được giải quyết là các nhà sản xuất khối có thể chọn không tham gia vào việc tổng hợp tin nhắn hoặc cố tình kiểm duyệt validators cụ thể. Chúng tôi làm cho nó trở nên bất lợi về mặt kinh tế bằng cách tạo ra khối phần thưởng của nhà sản xuất tỷ lệ thuận với số validator được chỉ định cho họ. Chúng tôi cũng lưu ý rằng vì các nhà sản xuất khối giữa các kỷ nguyên phần lớn giao nhau (vì luôn là những người tham gia có số tiền đặt cược cao nhất), validator có thể phần lớn tập trung vào làm việc với cùng một nhà sản xuất khối và do đó giảm thiểu rủi ro về việc được giao cho một nhà sản xuất khối đã kiểm duyệt chúng trong quá khứ. 3,9 Chuỗi ảnh chụp nhanh Vì các khối trên chuỗi chính được sản xuất rất thường xuyên nên việc tải xuống toàn bộ lịch sử có thể trở nên đắt đỏ rất nhanh. Hơn nữa, vì mỗi khối chứa chữ ký BLS của một số lượng lớn người tham gia, chỉ cần tổng hợp các khóa công khai để kiểm tra chữ ký có thể trở nên quá khó khăn. đắt tiền là tốt. Cuối cùng, vì trong bất kỳ tương lai gần nào Ethereum 1.0 có thể sẽ vẫn là một trong số blockchain được sử dụng nhiều nhất, có một cách hiệu quả để chuyển nội dung từ

Gần Ethereum là một yêu cầu và hôm nay việc xác minh chữ ký BLS để đảm bảo Không thể có hiệu lực ở các khối gần về phía Ethereum. Mỗi khối trong chuỗi chính Nightshade có thể tùy ý chứa Schnorr đa chữ ký trên tiêu đề của khối cuối cùng bao gồm Schnorr đa chữ ký. Chúng tôi gọi những khối như vậy là khối chụp nhanh. Khối đầu tiên của mỗi kỷ nguyên phải là một khối ảnh chụp nhanh. Trong khi làm việc trên một hệ thống đa chữ ký như vậy, nhà sản xuất khối cũng phải tích lũy chữ ký BLS của validators trên khối ảnh chụp nhanh cuối cùng và tổng hợp chúng theo cách tương tự như được mô tả trong phần 3.8. Vì bộ sản xuất khối không đổi trong suốt kỷ nguyên, nên việc xác thực chỉ các khối ảnh chụp nhanh đầu tiên trong mỗi kỷ nguyên là đủ với giả định rằng không có chỉ ra một tỷ lệ lớn các nhà sản xuất khối và validator đã thông đồng và tạo ra một cái nĩa. Khối đầu tiên của kỷ nguyên phải chứa thông tin đủ để tính toán nhà sản xuất khối và validator cho kỷ nguyên. Chúng tôi gọi chuỗi con của chuỗi chính chỉ chứa ảnh chụp nhanh chặn một chuỗi ảnh chụp nhanh. Tạo đa chữ ký Schnorr là một quá trình tương tác, nhưng vì chúng ta chỉ cần thực hiện nó không thường xuyên, bất kỳ quy trình nào, dù kém hiệu quả đến đâu sẽ đủ. Có thể dễ dàng xác thực đa chữ ký Schnorr trên Ethereum, do đó cung cấp các nguyên hàm quan trọng để thực hiện một cách an toàn chéo-blockchain giao tiếp. Để đồng bộ với chuỗi Gần, người ta chỉ cần tải xuống tất cả ảnh chụp nhanh chặn và xác nhận rằng chữ ký Schnorr là chính xác (tùy chọn cũng xác minh chữ ký BLS riêng lẻ của validators), sau đó chỉ đồng bộ hóa khối chuỗi chính từ khối ảnh chụp nhanh cuối cùng.

Phần kết luận

Trong tài liệu này, chúng tôi đã thảo luận các phương pháp tiếp cận để xây dựng blockchain phân đoạn và đã giải quyết được hai thách thức lớn với các phương pháp tiếp cận hiện có, đó là tính hợp lệ của trạng thái và tính sẵn có của dữ liệu. Sau đó chúng tôi đã giới thiệu Nightshade, một thiết kế sharding quyền hạn NEAR Giao thức. Thiết kế đang được tiến hành, nếu bạn có ý kiến, câu hỏi hoặc phản hồi trên tài liệu này, vui lòng truy cập https://near.chat.