NEAR 白皮书
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.
状态有效性和数据可用性
分片 blockchain 的核心思想是大多数参与者操作或 使用网络无法验证所有分片中的块。因此，每当 任何参与者都需要与他们通常无法进行的特定分片进行交互 下载并验证分片的整个历史记录。 然而，分片的分区方面带来了巨大的潜力 问题：没有下载和验证特定的整个历史记录 分片参与者不一定能确定分片的状态 5 除第 2.5.3 小节外，本节先前发布于 https://near.ai/ 碎片2。如果您之前阅读过，请跳至下一部分。
它们相互作用是一些有效的块序列的结果，并且这种序列 区块确实是分片中的规范链。一个不存在的问题 存在于非分片 blockchain 中。 我们首先将针对已提出的这个问题提出一个简单的解决方案 通过许多协议，然后分析这个解决方案如何破坏以及什么 已经尝试解决这个问题。 2.1 验证者轮换 状态有效性的朴素解决方案如图 5 所示：假设我们假设 整个系统有数千个 validator 的数量级，其中 不超过 20% 是恶意的或会失败（例如未能 在线生成区块）。那么如果我们采样 200 validators，概率 超过 1 个 3 出于实际目的，失败可以假设为零。 图5： 采样 validators 1 3是一个重要的门槛。有一系列共识协议，称为 BFT 共识协议，保证只要少于 1 3 个 参与者失败了，要么是崩溃了，要么是以某种违反规则的方式行事 协议，达成共识。 假设诚实的 validator 百分比，如果当前集合 分片中的 validators 为我们提供了一些块，天真的解决方案假设 该块是有效的，并且它是建立在 validator 所认为的基础上的 当他们开始验证时该分片的规范链。 validators 从前一组 validator 中学习了规范链，它们由相同的 假设建立在作为规范链头部的区块之上 在那之前。通过归纳，整个链都是有效的，并且因为没有 validator 集合 在任何产生分叉的点，简单的解决方案也可以确定当前 chain 是分片中唯一的链。可视化见图 6。
图6： 每个区块都通过 BFT 共识最终确定的 blockchain 如果我们假设 validators 可以是 自适应地损坏，这不是一个不合理的假设6。适应性地 损坏具有 1000 个分片的系统中的单个分片的成本要低得多 而不是破坏整个系统。因此，协议的安全性随着分片数量的增加而线性下降。确定其有效性 一个区块，我们必须知道，在历史上的任何时刻，系统中都没有分片 大多数 validator 串通一气；有了适应性强的对手，我们不再有 这样的确定性。正如我们在 1.5 节中讨论的，串通 validators 可以行使 两种基本的恶意行为：创建分叉和产生无效区块。 恶意分叉可以通过与信标链交叉链接的区块来解决，信标链通常被设计为具有比信标链更高的安全性 分片链。 然而，产生无效块是一个更严重的问题。 具有挑战性的问题需要解决。 2.2 状态有效性 考虑图 7，其中 Shard #1 已损坏并且恶意行为者产生了 无效区块 B。假设在该区块 B 中，有 1000 个 token 被铸造出来 爱丽丝账户上的空气。然后，恶意行为者会生成有效的区块 C（在 感觉 C 中的交易被正确应用）在 B 之上，混淆 无效块 B，并向分片 #2 发起跨分片交易 将这 1000 个 token 转入 Bob 的帐户。从这一刻起，不当行为 创建的 token 驻留在分片 #2 中完全有效的 blockchain 上。 解决这个问题的一些简单方法是： 6阅读 这个 文章 为了 详情 上 如何 适应性 腐败 可以 是 携带 输出： https://medium.com/nearprotocol/d859adb464c8. 对于 更多 详情 上 适应性 腐败， 读 https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Sharding-FAQ# 我们正在使用什么安全模型图7： 来自具有无效块的链的跨分片交易 1. 对于分片 #2 的 validators 来验证交易所在的块 已启动。即使在上面的例子中这也不起作用，因为块 C 似乎是完全有效的。 2. 对于分片 #2 中的 validators，验证发起交易的区块之前的大量区块。自然地，对于 由接收分片验证的任意数量的块 N 恶意 validators 可以在无效块之上创建 N+1 个有效块 产生的。 解决这个问题的一个有前途的想法是将分片排列成 无向图，其中每个分片都连接到其他几个分片，以及 只允许相邻分片之间的跨分片交易（例如，这就是 Vlad Zamfir 的分片本质上是有效的7，Kadena 的分片也使用了类似的想法 Chainweb [1])。如果分片之间需要跨分片交易 不是邻居，此类事务通过多个分片路由。在这个设计中 每个分片中的 validator 预计会验证其分片中的所有块 以及所有相邻分片中的所有块。考虑下图 有 10 个分片，每个分片有 4 个邻居，并且没有两个分片需要更多 跨分片通信的跳数少于图 8 所示。 分片 #2 不仅验证其自己的 blockchain，还验证 blockchain 所有邻居，包括 1 号分片。因此，如果 Shard #1 上有恶意行为者 试图创建一个无效的块 B，然后在其上构建块 C 并发起跨分片交易，这样的跨分片交易不会走 自从分片 #2 将验证分片 #1 的整个历史以来， 会导致它识别无效的块B。 7在此处阅读有关设计的更多信息：https://medium.com/nearprotocol/37e538177ed9
图8： 类链网系统中无效的跨分片交易将 被发现 虽然破坏单个分片不再是一种可行的攻击，但破坏一个分片 碎片很少仍然是一个问题。在图 9 中，对手破坏了两个分片
1 和分片 #2 成功执行到分片 #3 的跨分片交易
来自无效区块 B 的资金： 图9： 类链网系统中无效的跨分片交易将 不被检测到 分片 #3 验证分片 #2 中的所有块，但不验证分片 #1 中的所有块，并且 无法检测恶意块。 妥善解决状态有效性有两个主要方向：
和计算的密码证明。 2.3 渔夫 第一种方法背后的想法如下：每当块头 出于任何目的（例如交叉链接到 信标链，或跨分片交易），有一段时间 任何诚实的 validator 都可以提供该块无效的证据。那里 是各种结构，可以非常简洁地证明这些块是 无效，因此接收节点的通信开销要小得多 比收到一个完整的块。 只要存在至少一个诚实的 validator ，就可以使用这种方法 分片，系统是安全的。 图10： 渔夫 这是当今提议的协议中的主要方法（除了假装问题不存在之外）。 然而，这种方法有两个 主要缺点： 1. 对于诚实的validator来说，挑战期需要足够长 识别一个块已生成，下载它，完全验证它，并准备 如果块无效则提出挑战。 引入这样一个时期将 显着减慢跨分片交易的速度。 2. 挑战协议的存在创造了新的攻击向量 当恶意节点发送带有无效挑战的垃圾邮件时。一个显而易见的解决方案 解决这个问题的方法是让挑战者存入一定数量的 token 如果挑战有效则返回。这只是部分解决方案，因为它 对于对手向系统发送垃圾邮件（并烧毁 存款）进行无效挑战，例如阻止有效的挑战来自诚实的 validator 的挑战。这些攻击是 称为悲伤攻击。 有关解决后一点的方法，请参阅第 3.7.2 节。 2.4 简洁的非交互式知识论证 多分片损坏的第二种解决方案是使用某种加密结构，允许人们证明某种计算（例如 因为从一组交易中计算一个块）被正确执行。 这种结构确实存在，例如zk-SNARKs、zk-STARKs 和其他一些， 有些目前在 blockchain 协议中积极用于私人支付， 最值得注意的是 ZCash。这些原语的主要问题是它们 众所周知，计算速度很慢。例如。 Coda 协议，使用 zk-SNARK 特别是为了证明 blockchain 中的所有块都是有效的，如 的采访表明，每笔交易可能需要 30 秒才能创建证明 （现在这个数字可能更小）。 有趣的是，证明不需要由受信任方计算，因为 该证明不仅证明了其所构建的计算的有效性，而且证明了 证明本身的有效性。因此，此类证明的计算可以分开 一组参与者之间的冗余度明显低于实际情况 执行一些无需信任的计算所必需的。它还允许参与者 他们计算 zk-SNARK 在特殊硬件上运行，而不降低 系统的去中心化。 除了性能之外，zk-SNARK 的挑战还包括： 1. 依赖于研究较少且测试较少的密码原语； 2.“有毒废物”——zk-SNARK 依赖于一个可信的设置，其中一个组 的人执行一些计算，然后丢弃中间结果 该计算的值。如果程序的所有参与者都串通 并保留中间值，可以创建假证明； 3. 系统设计引入额外的复杂性； 4. zk-SNARK 仅适用于可能计算的子集，因此协议 使用图灵完备的 smart contract 语言将无法使用 SNARKs 证明链的有效性。 2.5 数据可用性 我们要讨论的第二个问题是数据可用性。一般节点 操作特定的 blockchain 分为两组：完整节点， 那些下载每个完整区块并验证每笔交易的人，以及 Light 节点，仅下载区块头并使用 Merkle 证明作为部分的节点 他们感兴趣的状态和交易，如图 11 所示。
图11： 默克尔树 现在，如果大多数全节点串通，他们可以生成一个区块，有效或 无效，并将其 hash 发送到轻节点，但绝不泄露完整内容 块的。他们可以通过多种方式从中受益。例如， 考虑图 12： 图 12： 数据可用性问题 共有三个区块：前一个 A，是由诚实的 validators 产生的； 当前 B 有 validator 串通；下一个C也将被生产 由诚实的 validators 提供（blockchain 位于右下角）。 你是一个商人。当前块（B）接收块的validators 来自之前的 validator 的 A，计算出您收到资金的区块，并向您发送了该区块的标头，其中包含状态的 Merkle 证明 你有钱（或者发送这笔钱的有效交易的 Merkle 证明） 给你）。确认交易完成后，您即可提供服务。 然而，validators 永远不会将块 B 的全部内容分发给 任何人。因此，块 C 的诚实 validators 无法检索该块，并且 要么被迫停止系统，要么在 A 之上构建，剥夺你作为 金钱商人。 当我们将相同的场景应用于分片时，完整和分片的定义 轻节点通常适用于每个分片：每个分片中的 validators 每下载一次 阻止该分片并验证该分片中的每笔交易，但其他 系统中的节点，包括那些将分片链状态快照到 信标链，仅下载标头。因此分片中的 validator 是 该分片的有效完整节点，而系统中的其他参与者， 包括信标链，作为轻节点运行。 为了使我们上面讨论的渔夫方法发挥作用，诚实的validators 需要能够下载与信标链交叉链接的块。 如果恶意 validators 交叉链接无效块的标头（或使用它来 发起跨分片交易），但从未分发过区块，诚实的人 validators 无法制定挑战。 我们将介绍解决这个问题的三种方法，这些方法相互补充 彼此。 2.5.1 监护权证明 最迫切需要解决的问题是区块一次是否可用 它被出版了。 一个提议的想法是让所谓的公证人进行轮换 分片之间比 validators 更频繁，其唯一的工作就是下载 阻止并证明他们能够下载它。他们可以是 轮换更频繁，因为他们不需要下载整个状态 分片的，与 validator 不同，后者不能频繁轮换，因为它们 每次旋转时都必须下载分片的状态，如图所示 13. 这种幼稚方法的问题是无法在以后证明 公证人是否能够下载该块，因此公证人 可以选择始终证明他们能够下载该块而无需 甚至试图找回它。解决此问题的一种方法是公证人提供 一些证据或抵押一定数量的 token 来证明该区块是 下载了。这里讨论了一种这样的解决方案：https://ethresear.ch/t/ 1 位聚合友好托管债券/2236。 2.5.2 纠删码 当特定的轻节点收到一个区块的 hash 时，增加该节点的 确信该块可用，它可以尝试下载一些随机的 块的碎片。这不是一个完整的解决方案，因为除非轻节点 共同下载恶意区块生产者可以选择的整个区块
图 13： 验证者需要下载状态，因此无法轮换 经常 保留未由任何轻节点下载的块部分， 从而仍然使该块不可用。 一种解决方案是使用一种称为纠删码的结构来使其成为可能 即使只有部分块可用，也可以恢复整个块，如图所示 如图 14 所示。 图 14： Merkle tree 建立在纠删码数据之上 Polkadot 和 Ethereum Serenity 都围绕这个想法进行设计 为轻节点提供一种合理确信区块可用的方法。 Ethereum Serenity 方法在 [2] 中有详细描述。2.5.3 Polkadot 的数据可用性方法 在 Polkadot 中，与大多数分片解决方案一样，每个分片（称为平行链）将其块快照到信标链（称为中继链）。假设有 2f + 1 中继链上的 validators。平行链区块的区块生产者，称为 整理者，一旦生成了平行链区块，就计算该区块的纠删码版本，该版本由 2f +1 个部分组成，这样任何 f 个部分就足够了 重建块。然后，他们将一份零件分发给 validator 上的每个 validator 中继链。特定中继链 validator 只会在中继链上签名 块，如果它们对每个被快照的平行链块都有自己的部分 这样的中继链区块。因此，如果中继链区块具有来自 2f + 1 的签名 validators，只要不超过 f 个违反协议，每个 平行链区块可以通过从 validators 中获取部分来重建 遵循协议。见图 15。 图 15： Polkadot 的数据可用性 2.5.4 长期数据可用性 请注意，上面讨论的所有方法仅证明了以下事实：块 已全部发布，并且现已可用。块稍后可能会变得不可用 由于多种原因：节点离线、节点故意删除历史记录 数据等。 值得一提的解决此问题的白皮书是 Polyshard [3]， 它使用纠删码来使块可以跨分片使用，即使多个分片 分片完全丢失数据。不幸的是，他们的具体方法需要 所有分片从所有其他分片下载块，这是令人望而却步的 昂贵。 长期可用性并不是一个紧迫的问题：因为没有参与者 系统中预计能够验证所有链中的所有链
分片，分片协议的安全性需要这样设计 即使某些分片中的某些旧块变得如此，系统也是安全的 完全不可用。
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.
Nightshade
3.1 从分片链到分片块 具有分片链和信标链的分片模型非常强大，但是 具有一定的复杂性。特别需要执行分叉选择规则 分别在每个链中，分片链和信标中的分叉选择规则 链必须以不同的方式构建并单独测试。 在 Nightshade 中，我们将系统建模为单个 blockchain，其中每个 块逻辑上包含所有分片的所有交易，并更改 所有分片的完整状态。然而，实际上，没有参与者下载 完整状态或完整逻辑块。相反，网络的每个参与者仅 维护与验证交易的分片相对应的状态，并且块中所有交易的列表被分为物理部分 块，每个分片一个块。 在理想条件下，每个块每个分片仅包含一个块 块，它大致对应于分片链的模型，其中 分片链产生区块的速度与信标链相同。然而， 由于网络延迟，某些块可能会丢失，因此实际上每个块 每个分片包含一个或零个块。有关如何操作的详细信息，请参阅第 3.3 节 块被生产出来。 图 16： 左侧有分片链且其中一条链具有 块在右侧分成块
3.2 共识 今天 blockchain 达成共识的两种主要方法是 最长（或最重）的链，其中具有最多工作量或权益的链 用于构建它被认为是规范的，并且 BFT，其中每个块都有一些 validator 组达成 BFT 共识。 在最近提出的协议中，后者是更占主导地位的方法， 因为它提供了立即的最终性，而在最长的链中需要更多的块 构建在块的顶部以确保最终性。常常为了有意义的事 安全性 构建足够数量的区块所需的时间 时间顺序。 在每个区块上使用 BFT 共识也有缺点，例如： 1. BFT 共识涉及大量的沟通。同时 最近的进展允许在线性时间内达成数量上的共识 参与者的数量（例如 [4]），每个块的开销仍然是明显的； 2. 所有网络参与者都参与BFT是不可行的 每个区块达成共识，因此通常只有随机抽样的参与者子集才能达成共识。原则上，随机采样的集合可以是： 自适应损坏，理论上可以创建分叉。系统 要么需要建模才能为此类事件做好准备，因此仍然 除了 BFT 共识之外，还有一个分叉选择规则，或者被设计为关闭 在这样的事件中。值得一提的是，有些设计，比如 Algorand [5]，显着降低自适应损坏的概率。 3. 最重要的是，如果出现以下情况，系统就会停止运行 1 所有参与者中有 3 名或以上 离线。因此，任何临时的网络故障或网络分裂都可能导致系统完全瘫痪。理想情况下，系统必须能够持续 只要至少一半的参与者在线（最重的 即使不到一半的参与者在线，基于链的协议也会继续运行，但这种属性的可取性更有争议 社区内）。 一种混合模型，其中使用的共识是某种最重的共识 链，但一些块使用 BFT 最终性小工具定期完成，保持了两种模型的优点。这样的 BFT 最终性小工具是 Casper FFG [6] 用于 Ethereum 2.0 8，Casper CBC（请参阅 https://vitalik. ca/general/2018/12/05/cbc_casper.html）和 GRANDPA（参见 https:// medium.com/polkadot-network/d08a24a021b5) 用于 Polkadot。 Nightshade 采用最重链共识。 特别是当一个块 生产者生产一个区块（参见第 3.3 节），他们可以收集签名 其他区块生产者和 validator 证明前一个区块。参见部分 3.8 了解如何聚合如此大量的签名的详细信息。重量 8另请参阅 Justin Drake 的白板会议，深入了解 Casper FFG，以及它如何与 GHOST 最重链共识集成：https://www. youtube.com/watch?v=S262StTwkmo一个区块的总权益就是所有签名者的累积权益 包含在块中。链的权重是块权重的总和。 在最重链共识之上，我们使用了一个最终性小工具，该小工具使用 完成区块的证明。为了降低系统的复杂度， 我们使用一个最终性小工具，它不会以任何方式影响分叉选择规则， 相反，只引入额外的削减条件，这样一旦一个块被 由最终性小工具最终确定，除非有很大比例，否则分叉是不可能的 总股份被削减。 Casper CBC 就是这样一个最终结果小工具，我们 目前模型考虑的是 Casper CBC。 我们还致力于一个名为 TxFlow 的独立 BFT 协议。当时 撰写本文档时，尚不清楚是否会使用 TxFlow 来代替 Casper 加拿大广播公司。然而，我们注意到，最终性小工具的选择很大程度上与设计的其余部分正交。 3.3 区块生产 在 Nightshade 中有两个角色：区块生产者和 validators。 在任何 点系统包含 w 个区块生产者，在我们的模型中 w = 100，并且 wv validators，在我们的模型中 v = 100, wv = 10, 000。该系统是权益证明系统， 这意味着区块生产者和 validators 都有一定数量的内部 货币（称为“tokens”）锁定时间远远超过 他们花时间履行构建和验证链的职责。 与所有权益证明系统一样，并非所有 w 区块生产者也不是 所有 wv validator 都是不同的实体，因为无法强制执行。每个 然而，w 区块生产者和 wv validators 确实有一个单独的 股份。 系统包含 n 个分片，在我们的模型中 n = 1000。正如中提到的 第 3.1 节，在 Nightshade 中，没有分片链，而是所有区块生产者和 validator 都在构建一个 blockchain，我们将其称为 主链。主链的状态被分成n个分片，每个区块 生产者和 validator 在任何时刻都只在本地下载了一个子集 对应于分片的某个子集的状态，并且仅处理和 验证影响状态这些部分的交易。 要成为区块生产者，网络参与者需要锁定一些大的区块 数量 tokens（股份）。网络的维护是分周期完成的， 其中纪元是一段以天为单位的时间段。 参加者 在特定时期开始时，w 最大的赌注是区块 那个时代的生产者。每个区块生产者都被分配给 sw 分片（比如 sw = 40，这将使 sww/n = 每个分片有 4 个区块生产者）。街区 生产者下载纪元之前分配给他们的分片的状态 开始，并在整个纪元中收集影响该分片的交易， 并将它们应用到国家。 对于主链上的每个区块 b 和每个分片 s，都有一个 将区块生产者分配给 s，s 负责生产与 b 相关的部分 到碎片。 b 中与 shard s 相关的部分称为 chunk，包含 b 中包含的分片交易列表以及 merkle结果状态的根。 b 最终只会包含一个非常小的标头 块，即所有应用交易的 Merkle 根（参见部分 3.7.1 了解具体细节），以及最终状态的 merkle 根。 在文档的其余部分中，我们经常提到区块生产者 负责在特定时间为特定分片生成块 作为块生产者。区块生产者始终是区块生产者之一。 块生产者和块生产者根据以下方式轮换每个块： 到固定的时间表。区块生产者有订单并重复生产 按该顺序块。 例如。 如果有 100 个区块生产者，则第一个区块 生产者负责生产区块 1、101、201 等，第二个是 负责生产2、102、202等）。 由于块生产与块生产不同，需要维护 状态，对于每个分片，只有 sww/n 块生产者维护状态 每个分片，相应地只有那些 sww/n 块生产者轮流创建 大块。例如。上面的常量被分配给四个区块生产者 每个分片，每个块生产者将每四个块创建一次块。 3.4 确保数据可用性 为了确保数据可用性，我们使用类似于 Polkadot 的方法 2.5.3 节中描述。一旦区块生产者产生了一个区块，他们就会创建 它的纠删码版本，具有最佳 (w, ⌊w/6 + 1⌋) 块代码 块。 然后，他们发送一块纠删码块（我们称这些块为 块部分，或只是部分）到每个块生产者。 我们计算一棵默克尔树，其中包含作为叶子的所有部分，并且 每个块的标头包含该树的默克尔根。 这些部件通过 onepart 消息发送到 validators。每一条这样的消息 包含块头、部分序号和部分内容。的 消息还包含产生该区块的区块生产者的签名 chunk 和merkle路径来证明该部分对应于header 并由适当的区块生产者生产。 一旦区块生产者收到主链区块，他们首先检查是否 块中包含的每个块都有 onepart 消息。如果没有，则块 在检索到丢失的 onepart 消息之前不会进行处理。 一旦收到所有 onepart 消息，区块生产者就会获取 来自对等体的剩余部分并重建它们所持有的块 国家。 区块生产者不会处理主链区块，如果至少有一个 块中包含的块没有相应的 onepart 消息，或者如果对于至少一个分片，他们无法维护其状态 重建整个块。 对于可用的特定块，该块的 ⌊w/6⌋+1 就足够了 生产者有自己的部分并为他们服务。因此，只要数量 恶意行为者不超过⌊w/3⌋没有超过一半区块的链 构建它的生产者可能有不可用的块。图 17： 每个块包含每个分片一个或零个块，并且每个块 是擦除编码的。纠删码块的每个部分都被发送到指定的 区块生产者通过特殊的 onepart 消息 3.4.1 对付懒惰的区块生产者 如果区块生产者有一个区块缺少 onepart 消息，那么他们 可能会选择仍然在其上签名，因为如果该块最终在链上 将使区块生产者的奖励最大化。区块没有风险 生产者，因为事后无法证明区块生产者没有 onepart 消息。 为了解决这个问题，我们在创建块时让每个块生成器 为未来编码块的每个部分选择一种颜色（红色或蓝色），并存储 编码之前块中指定颜色的位掩码。每一个部分 然后消息包含分配给该部件的颜色，并且在以下情况下使用该颜色 计算编码部分的默克尔根。如果块生产者偏离 从协议中，可以很容易地证明这一点，因为默克尔根不会 对应于 onepart 消息，或者 onepart 消息中的颜色 对应于merkle根将与块中的掩码不匹配。 当区块生产者签署区块时，它们会包含所有区块的位掩码 他们收到的红色部分是块中包含的块。出版一个 不正确的位掩码是一种可削减的行为。如果区块生产者还没有收到 onepart 消息，他们无法知道消息的颜色，并且 因此，如果他们试图盲目地签署协议，就有 50% 的机会被削减 块。 3.5 状态转换申请 块生产者仅选择要包含在块中的交易，但是 当它们生成块时不应用状态转换。相应地，
块头包含之前默克尔化状态的默克尔根 应用块中的事务。 仅当包含该块的完整块时才应用事务 已处理。参与者仅处理一个块，如果 1. 前一个区块被接收并处理； 2.对于每个块，参与者不维护他们拥有的状态 看到了 onepart 消息； 3. 对于每个块，参与者确实维护状态，因为他们有 完整的块。 一旦块被处理，对于参与者的每个分片 维护状态，他们应用交易并计算新状态 在应用交易后，它们就准备好生产 下一个块的块（如果它们被分配给任何分片），因为它们有 新默克尔化状态的默克尔根。 3.6 跨分片交易和收据 如果一笔交易需要影响多个分片，则需要连续进行 在每个分片中单独执行。完整的交易被发送到第一个分片 受影响，并且一旦交易包含在此类分片的块中，并且 在块包含在块中之后应用，它会生成所谓的收据 交易，即路由到交易需要的下一个分片 被处决。如果需要更多步骤，则执行收据交易 生成新的收据交易等。 3.6.1 收据交易生命周期 理想的是，收据交易应用于紧随其生成的块之后的块中。收据交易仅 区块生产者收到并应用前一个区块后生成 维护原始分片，并且需要在 下一个块的块由目的地的块生产者生成 碎片。因此，收据必须从源分片传送到 这两个事件之间的短时间内的目标分片。 令 A 为最后产生的区块，其中包含生成收据 r 的交易 t。令 B 为下一个生成的块（即具有 A 的块） 它的前一个块）我们想要包含 r。设 t 在分片 a 中，r 为 在碎片 b. 收据的生命周期（也如图 18 所示）如下： 制作并保存收据。分片的块生产者 cpa a 接收区块 A，应用交易 t 并生成收据 r。注册会计师 然后将所有此类生成的收据存储在其索引的内部持久存储中 通过源分片 ID。分发收据。一旦 cpa 准备好生成块 块 B 的分片 a，它们获取通过应用分片 a 的块 A 中的交易而生成的所有收据，并将它们包含到 shrad 的块中 块 B 中的 a。一旦生成这样的块，cpa 就会生成其纠删码 版本和所有相应的 onepart 消息。 cpa 知道哪些区块生产者维护哪些分片的完整状态。对于特定的区块生产者 bp cpa 包括在 A 块中应用交易产生的收据 对于具有 bp 关心的任何分片作为其目的地的分片 a 当他们在块 B 中分发分片 a 的块时，在 onepart 消息中 （见图 17，显示了 onepart 消息中包含的收据）。 收到收据。请记住，参与者（区块生产者和 validators）在收到 onepart 消息之前不会处理区块 对于块中包含的每个块。因此，当任何特定参与者应用块 B 时，他们拥有对应于的所有 onepart 消息 B 中的块，因此它们拥有包含分片的所有传入收据 参与者将状态维持为目的地。 当应用 特定分片的状态转换，参与者应用两个收据 他们在 onepart 消息中为分片收集的信息，以及所有 包含在块本身中的事务。 图 18： 收据交易的生命周期 3.6.2 处理过多的收据 有可能针对某个特定分片的收据数量 特定块太大而无法处理。例如，考虑图 19， 每个分片中的每笔交易都会生成一个针对分片 1 的收据。 到下一个块时，分片 1 需要处理的收据数量为 与处理时所有碎片组合处理的负载相当 前一个块。
图 19： 如果所有收据都针对同一个分片，则该分片可能没有 处理它们的能力 为了解决这个问题，我们使用了类似于 QuarkChain 9 中使用的技术。 具体来说，对于每个分片，最后一个块 B 和该分片中的最后一个分片 s 记录应用收据的块。当新分片出现时 创建后，收据首先从 B 中的剩余分片中应用， 然后在 B 之后的块中，直到新块已满。正常情况下 负载均衡的情况下，一般会导致所有收据 正在应用（因此最后一个块的最后一个分片将被记录为 每个块），但在负载不平衡的时候，以及特定的 分片收到不成比例的大量收据，这种技术使他们能够 进行处理，同时遵守所包含交易数量的限制。 请注意，如果这种不平衡负载持续较长时间，则延迟 收据创建直到应用程序可以无限期地继续增长。一 解决这个问题的方法是删除任何创建收据的交易 处理延迟超过某个常量（例如一个时期）的分片。 考虑图 20。到了区块 B，分片 4 无法处理所有收据， 因此它只处理来自区块 A 中最多分片 3 的收据，并且 记录下来。在区块 C 中，包含区块 B 中最多分片 5 的收据，并且 然后到了块 D，分片赶上了，处理所有剩余的收据 B 块和 C 块的所有收据。 3.7 块验证 为特定分片生成的块（或在具有分片链的模型中为特定分片链生成的分片块）只能由 9查看 QuarkChain 的白板片段：https://www.youtube.com/watch? v=opEtG6NM4x4，其中讨论了跨分片交易的方法等 东西图 20： 延迟收据处理 维持状态的参与者。他们可以是区块生产者，validators， 或者只是下载状态并验证分片的外部见证人 他们存储资产。 在本文档中，我们假设大多数参与者无法存储 大部分分片的状态。不过值得一提的是， 存在分片 blockchain ，其设计假设为 大多数参与者确实有能力存储状态并验证大部分 分片，例如 QuarkChain。 由于只有一小部分参与者拥有验证分片的状态 块，有可能自适应地破坏具有 状态，并应用无效的状态转换。 提出了多重分片设计，每隔几次采样 validators 天，以及一天之内分片链中任何拥有超过 2/3 的区块 立即考虑分配给此类分片的 validator 的签名 最终。通过这种方法，自适应对手只需要破坏 2n/3+1 分片链中的 validators 来应用无效状态转换，其中， 虽然可能很难实现，但对于公众来说安全水平还不够 blockchain。 正如第 2.3 节中所讨论的，常见的方法是在为任何具有状态的参与者（无论是 它是一个区块生产者、validator 或外部观察者）来挑战其有效性。这些参与者被称为渔民。为了让渔民能够 挑战无效区块，必须确保这样的区块可供使用 他们。 Nightshade 中的数据可用性将在第 3.4 节中讨论。 在 Nightshade 中，一旦生成了一个块，这些块就不会被验证 除了实际的块生产者之外的任何人。特别是，区块生产者 建议该块自然不具有大多数分片的状态，并且无法验证这些块。当下一个区块产生时，它包含多个区块生产者和 validator 的证明（参见第 3.2 节）， 但由于大多数区块生产者和 validator 不维护状态 对于大多数分片来说，只有一个无效块的区块将收集超过一半的证明，并且将继续处于最重的状态 链。 为了解决这个问题，我们允许任何维持以下状态的参与者 一个分片，用于针对该分片中产生的任何无效块在链上提交挑战 碎片。 3.7.1 状态有效性挑战 一旦参与者检测到特定块无效，他们需要提供该块无效的证明。由于大多数网络参与者不维护无效块所在分片的状态 产生后，证明需要有足够的信息来确认该块是 无状态无效。 我们设置单个事务的状态量（以字节为单位）的限制 Ls 可以累积读取或写入。任何触及 Ls 以上的交易 状态被认为是无效的。请记住 3.5 节中的块 特定区块B中仅包含要应用的交易，但不包含 新的状态根。块B中的块包含的状态根是状态 在应用此类事务之前，但在应用事务之后 块 B 之前同一分片中的最后一个块。恶意行为者 希望应用无效的状态转换将包括不正确的状态根 在块 B 中，它与应用产生的状态根不对应 前一个块中的交易。 我们扩展块生产者在块中包含的信息。 它不是只包含应用所有事务后的状态，而是 在应用每个连续的交易集之后包括一个状态根 共同读取和写入 Ls 个字节的状态。 有了这些信息对于 渔夫提出了一个挑战，即状态转换应用不正确 足以找到第一个这样的无效状态根，并且只包含 Ls 字节 受最后一个状态根（之前是 valid）和带有默克尔证明的当前状态根。那么任意参与者 可以验证段中的事务并确认该块是 无效。 类似地，如果块生产者尝试包含读取的事务 并写入超过 Ls 个字节的状态，对于挑战来说，包含就足够了 它与默克尔证明接触的第一个 Ls 字节，这足以 应用交易并确认有一个时刻尝试 读取或写入的内容超出 Ls 字节。
3.7.2 渔民和快速跨分片交易 正如 2.3 节中所讨论的，一旦我们假设分片块（或分片 具有分片链的模型中的块）可能无效并带来挑战 期间，它会对最终结果产生负面影响，从而影响跨分片通信。在 特别是，任何跨分片交易的目标分片都无法确定 在挑战期结束之前，原始分片块或块是最终的 （见图 21）。 图 21： 在申请收据之前等待挑战期 以使得跨分片交易的方式来解决这个问题 Instantinious 是指目标分片不等待挑战期 源分片交易发布后，应用收据交易 立即，然后将目标分片与源分片一起回滚 如果后来发现原始块或块无效（见图 22）。这非常自然地适用于 Nightshade 设计，其中碎片 链不是独立的，而是分片块全部发布 一起在同一个主链区块中。如果发现任何块无效， 包含该块的整个块被认为是无效的，并且构建在其上的所有块 其顶部。见图 23。 上述两种方法都提供原子性，假设挑战 周期足够长。我们使用后一种方法，因为在正常情况下提供快速的跨分片交易比 由于其中之一的状态转换无效，目标分片回滚 源碎片，这是极其罕见的事件。 3.7.3 隐藏 validators 挑战的存在已经大大降低了 自适应损坏，因为要使用无效的状态转换后完成一个块图 22： 立即应用收据并回滚目的地 链如果源链有无效块 图 23： 茄属渔夫挑战 适应性对手需要腐蚀所有参与者的挑战期 维护分片的状态，包括所有 validator。 估计此类事件的可能性极其复杂，因为没有 sharded blockchain 已经存在足够长的时间来尝试任何此类攻击。我们认为这种可能性虽然极低，但仍然足够 对于预计执行数百万笔交易的系统来说很大 经营全球金融业务。 这种信念有两个主要原因： 1. 权益证明链的大多数 validator 和矿工
工作量证明链主要受到财务上行的激励。如果 适应性强的对手为他们提供的钱多于预期回报 从诚实经营的角度来看，可以合理地预期许多 validator 将接受该提议。 2. 许多实体对权益证明链进行专业验证，并且 预计任何连锁店的大部分股权都将被 来自此类实体。此类实体的数量对于 适应性强的对手能够亲自了解他们中的大多数人并拥有 很好地理解了他们的本性被腐蚀了。 我们通过隐藏哪些 validator 分配给哪个分片，进一步降低了自适应损坏的概率。这个想法是 与 Algorand [5] 隐藏 validators 的方式非常相似。 值得注意的是，即使 validator 被隐藏，如 Algorand 中所示 或者如下所述，自适应腐败在理论上仍然是可能的。同时 适应性对手不知道将创建或验证的参与者 一个块或一个块，参与者自己确实知道他们将执行 这样的任务并有它的密码证明。 这样，对手就可以 传播他们的腐败意图，并向任何愿意提供的参与者支付费用 这样的密码学证明。然而我们注意到，由于对手不 知道分配给他们想要破坏的分片的 validator，他们 别无选择，只能将他们破坏特定分片的意图传播给 整个社区。到那时，这对任何诚实的人来说都是经济上有利的 参与者启动一个验证该分片的完整节点，因为有一个很高的 该分片中出现无效块的机会，这是一个机会 创建挑战并收集相关奖励。 为了不泄露分配给特定分片的 validator，我们这样做 如下（见图 24）： 使用 VRF 获取任务。在每个纪元的开始 validator 使用 VRF 获取分配给 validator 的分片的位掩码。 每个 validator 的位掩码将具有 Sw 位（请参阅第 3.3 节了解定义 的 Sw）。然后 validator 获取相应分片的状态，并且 在收到的每个块的纪元期间验证对应的块 分配给 validator 的分片。 对块而不是块进行签名。由于分片分配是隐藏的，因此 validator 无法在块上签名。相反，它总是在整个 块，因此不会透露它验证的分片。具体来说，当 validator 接收到一个块并验证所有块时，它要么创建一条消息 证明 validator 分配到的所有分片中的所有块都是 有效（不以任何方式表明这些分片是什么），或者一条消息 如果任何块无效，则包含无效状态转换的证明。请参阅 有关如何聚合此类消息的详细信息，请参阅第 3.8 节，有关如何聚合此类消息的详细信息，请参阅第 3.7.4 节 有关如何防止 validators 捎带消息的详细信息 其他 validators，以及第 3.7.5 节了解如何奖励和惩罚的详细信息 validators 应该成功地发生无效状态转换挑战。图 24： 将 validator 隐藏在茄属植物中 3.7.4 提交-揭示 validators 的常见问题之一是 validator 可以跳过下载状态并实际验证块和块，而是 观察网络，查看其他 validator 提交的内容并重复他们的 消息。遵循这种策略的 validator 不提供任何额外的 网络安全，但收取奖励。 此问题的常见解决方案是为每个 validator 提供一个证明 他们实际上验证了该块，例如通过提供唯一的跟踪 应用状态转换，但这样的证明显着增加了成本 的验证。 图 25： 提交-揭示
相反，我们让 validators 首先提交验证结果（或者 证明块有效性的消息，或无效证明 状态转换），等待一定的时间，然后才显示实际的验证结果，如图25所示。提交时间与 揭示期，因此懒惰的 validator 无法模仿诚实的 validator。 此外，如果不诚实的 validator 提交了一条证明 分配的块的有效性，并且至少有一个块是无效的，一旦 显示该块无效，validator 无法避免削减，因为， 正如我们在第 3.7.5 节中所示，在这种情况下不被削减的唯一方法 是呈现一条消息，其中包含无效状态转换的证明 匹配提交。 3.7.5 应对挑战 如上所述，一旦 validator 接收到带有无效块的块， 他们首先准备无效状态转换的证明（参见第 3.7.1 节），然后 致力于这样的证明（见 3.7.4），并在一段时间后揭示挑战。 一旦揭示的挑战被包含在区块中，就会发生以下情况： 1. 从包含该块的块中发生的所有状态转换 无效块，直到包含所揭示的挑战的块得到 无效。包含已揭示挑战的区块之前的状态 被认为与包含该块的块之前的状态相同 无效块。 2. 在一定的时间内，每个 validator 必须揭示其位掩码 他们验证的分片的数量。由于位掩码是通过 VRF 创建的，如果 他们被分配到具有无效状态转换的分片，他们 无法避免暴露它。任何无法显示位掩码的 validator 假设已分配给分片。 3. 在这段时间内发现分配给分片的每个 validator， 确实提交了包含以下内容的块的某些验证结果 无效块并且没有揭示无效状态转换的证明 与他们的提交相对应的内容被削减。 4. 每个validator得到一个新的分片分配，并安排一个新的epoch 一段时间后开始，足以让所有 validator 下载 状态，如图 26 所示。 请注意，从 validator 显示分配给它们的分片那一刻起 直到新纪元开始，系统的安全性都会降低，因为 分片分配被揭示。网络参与者需要保留它 在此期间使用网络时请谨记。 3.8 签名聚合 为了让拥有数百个分片的系统能够安全运行，我们希望 10、000 或更多 validator 的顺序。正如第 3.7 节中所讨论的，我们希望每个图 26： 应对挑战 validator 发布对特定消息的提交和平均签名 每个块一次。即使提交消息相同，聚合这样的 BLS 签名并对其进行验证的成本将高得令人望而却步。但是 当然，validator 中的提交和显示消息并不相同， 因此我们需要某种方法来聚合这些消息和签名 以便稍后快速验证的方式。 我们使用的具体方法如下： 验证者加入区块生产者。区块生产者是已知的 在纪元开始之前的某个时间，因为他们需要一些时间来下载 纪元开始之前的状态，与 validator 不同，区块生产者是 没有隐藏。每个区块生产者都有 v 个 validator 插槽。验证者提交 向区块生产者提出链下提案，将其纳入其 v 之一 validators。如果区块生产者希望包含 validator，他们会提交 包含来自 validator 的初始链外请求的交易，以及 区块生产者的签名，使 validator 加入区块生产者。 请注意，分配给区块生产者的 validator 不一定是 验证区块生产者为其生成块的相同分片。 如果一个 validator 申请加入多个区块生产者，仅来自 第一个区块生产者将会成功。 区块生产者收集提交。区块生产者不断收集来自 validator 的提交和显示消息。一旦累积了一定数量的此类消息，区块生产者就会计算默克尔 这些消息的树，并向每个 validator 发送 merkle 根和 他们的消息的默克尔路径。 validator 验证路径并登录 默克尔根。然后，区块生产者在区块链上累积 BLS 签名 来自 validators 的 merkle 根，并且仅发布 merkle 根和 累计签名。区块生产者还签署了该区块的有效性 使用廉价的 ECDSA 签名进行多重签名。如果多重签名没有 匹配提交的默克尔根或参与的 validator 的位掩码，这是可削减的行为。同步链时，参与者 可以选择验证来自 validators 的所有 BLS 签名（这非常昂贵，因为它涉及聚合 validators 公钥），或者仅验证来自区块生产者的 ECDMA 签名，并依赖于以下事实： 区块生产者没有受到挑战和削减。 使用链上交易和默克尔证明来应对挑战。它 可以注意到，如果没有，那么泄露来自 validators 的消息是没有价值的。 检测到无效的状态转换。仅包含实际内容的消息 需要揭示无效状态转换的证明，并且仅针对此类消息 需要证明它们与之前的提交相匹配。该消息需要 被披露有两个目的： 1. 真正启动链回滚到之前的那一刻 无效状态转换（参见第 3.7.5 节）。 2. 证明 validator 并未试图证明该信息的有效性 无效块。 无论哪种情况，我们都需要解决两个问题： 1. 实际提交并未包含在链上，仅包含在链上的merkle根 提交与其他消息聚合。 validator 需要使用 区块生产者提供的默克尔路径及其原始承诺 证明他们致力于挑战。 2. 有可能分配给无效分片的所有validator 状态转换恰好被分配给损坏的区块生产者 正在审查他们。为了解决这个问题，我们允许他们提交他们的揭露 作为链上的常规交易并绕过聚合。 后者仅适用于无效状态转换的证明，即 极其罕见，因此不应导致垃圾邮件块。 需要解决的最后一个问题是区块生产者可以 选择不参与消息聚合或故意审查特定的 validator。我们通过制作区块使其在经济上处于不利地位 生产者奖励与分配给他们的 validator 数量成正比。我们 还请注意，由于纪元之间的区块生产者很大程度上相交（因为 它始终是拥有最高赌注的前 w 参与者），validators 可以 很大程度上坚持与相同的区块生产者合作，从而降低风险 被分配给过去审查过他们的区块生产者。 3.9 快照链 由于主链上的区块产生非常频繁，因此下载 完整的历史可能很快就会变得昂贵。而且，由于每 区块包含大量参与者的 BLS 签名，仅聚合公钥来检查签名可能会变得令人望而却步 也很贵。 最后，因为在任何可预见的未来 Ethereum 1.0 可能仍然是一个 最常用的 blockchain 中，有一种有意义的方式来转移资产
要求接近 Ethereum，今天验证 BLS 签名以确保 Ethereum 一侧的近块有效性是不可能的。 Nightshade 主链中的每个区块都可以选择包含 Schnorr 包含此类 Schnorr 的最后一个块的标头上的多重签名 多重签名。我们将此类块称为快照块。第一个块 每个纪元必须是一个快照块。在研究这样的多重签名时， 区块生产者还必须累积 validator 的 BLS 签名 在最后一个快照块上，并按照与中所述相同的方式聚合它们 第 3.8 节。 由于区块生产者集在整个时期内保持不变，因此验证 假设在没有任何情况下，只有每个时期中的第一个快照块就足够了 指出很大一部分区块生产者和 validator 串通并创建 叉子。 纪元的第一个块必须包含足以计算的信息 该纪元的区块生产者和 validators。 我们称主链中只包含快照的子链为 阻止快照链。 创建 Schnorr 多重签名是一个交互式过程，但由于我们 只需要很少执行，任何流程，无论效率如何低下 就足够了。 Schnorr 多重签名可以在 Ethereum 上轻松验证， 从而为执行跨blockchain的安全方式提供关键原语 沟通。 与近链同步只需下载所有快照 块并确认 Schnorr 签名正确（也可以选择验证 validator 的各个 BLS 签名），然后仅同步 主链区块来自最后一个快照区块。
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.
结论
在本文档中，我们讨论了构建分片 blockchain 的方法和 克服了现有方法的两个主要挑战，即状态有效性 和数据可用性。然后我们提出了 Nightshade，一种分片设计 赋予 NEAR 协议权力。 设计正在进行中，如果您有意见、问题或反馈 对于本文档，请转至 https://near.chat.