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。
Validitas Negara dan Ketersediaan Data
Ide inti dalam blockchains yang dipecah adalah sebagian besar peserta mengoperasikan atau menggunakan jaringan tidak dapat memvalidasi blok di semua pecahan. Dengan demikian, kapan pun setiap peserta perlu berinteraksi dengan pecahan tertentu yang biasanya tidak bisa mereka lakukan unduh dan validasi seluruh riwayat beling. Namun, aspek partisi sharding memunculkan potensi yang signifikan masalah: tanpa mengunduh dan memvalidasi seluruh riwayat tertentu shard peserta belum tentu bisa memastikan negara bagian mana 5Bagian ini, kecuali subbagian 2.5.3, sebelumnya diterbitkan di https://near.ai/ pecahan2. Jika Anda membacanya sebelumnya, lewati ke bagian berikutnya.
mereka berinteraksi adalah hasil dari beberapa rangkaian blok yang valid dan rangkaian tersebut blok memang merupakan rantai kanonik dalam beling. Sebuah masalah yang tidak terjadi ada di blockchain yang tidak di-sharding. Pertama-tama kami akan menyajikan solusi sederhana untuk masalah yang telah diusulkan ini oleh banyak protokol dan kemudian menganalisis bagaimana solusi ini dapat rusak dan apa upaya telah dilakukan untuk mengatasinya. 2.1 Rotasi validator Solusi naif terhadap validitas negara ditunjukkan pada gambar 5: katakanlah kita berasumsi yang dimiliki seluruh sistem berjumlah ribuan validator, di antaranya tidak lebih dari 20% bersifat berbahaya atau akan gagal (misalnya gagal online untuk menghasilkan blok). Lalu jika kita mengambil sampel 200 validators, probabilitasnya lebih dari 1 3 kegagalan untuk tujuan praktis dapat diasumsikan nol. Gambar 5: Pengambilan sampel validatordtk 1 3 adalah ambang batas yang penting. Ada sekumpulan protokol konsensus, yang disebut BFT protokol konsensus, yang menjamin bahwa selama kurang dari 1 3 dari peserta gagal, baik karena menabrak atau bertindak dengan cara yang melanggar protokol, konsensus akan tercapai. Dengan asumsi persentase validator yang jujur, jika ditetapkan saat ini validators dalam pecahan memberi kita beberapa blok, asumsi solusi naif bahwa blok tersebut valid dan dibangun berdasarkan apa yang diyakini oleh validator rantai kanonik untuk pecahan tersebut ketika mereka mulai memvalidasi. validators mempelajari rantai kanonik dari kumpulan validator sebelumnya, yang juga melakukan hal yang sama asumsi yang dibangun di atas blok yang merupakan kepala rantai kanonik sebelum itu. Dengan induksi seluruh rantai valid, dan karena tidak ada himpunan validators pada titik mana pun dihasilkan garpu, solusi naifnya juga pasti arusnya rantai adalah satu-satunya rantai di pecahan. Lihat gambar 6 untuk visualisasinya.
Gambar 6: blockchain dengan setiap blok diselesaikan melalui konsensus BFT Solusi sederhana ini tidak akan berhasil jika kita berasumsi bahwa validator bisa berhasil dirusak secara adaptif, yang bukan merupakan asumsi yang tidak masuk akal6. Secara adaptif merusak satu pecahan dalam sistem dengan 1000 pecahan jauh lebih murah daripada merusak seluruh sistem. Oleh karena itu, keamanan protokol menurun secara linear seiring dengan jumlah shard. Untuk memperoleh kepastian keabsahan sebuah blok, kita harus tahu bahwa pada titik mana pun dalam sejarah tidak ada pecahan dalam sistem yang memilikinya mayoritas validator berkolusi; dengan musuh adaptif, kita tidak lagi memilikinya kepastian seperti itu. Seperti yang telah kita bahas di bagian 1.5, berkolusi validator dapat dilakukan dua perilaku dasar berbahaya: membuat fork, dan menghasilkan blok yang tidak valid. Garpu berbahaya dapat diatasi dengan menghubungkan blok ke rantai Beacon yang umumnya dirancang untuk memiliki keamanan yang jauh lebih tinggi daripada rantai pecahan. Namun, menghasilkan blok yang tidak valid adalah hal yang jauh lebih buruk masalah yang menantang untuk diatasi. 2.2 Validitas Negara Perhatikan gambar 7 di mana Shard #1 rusak dan dihasilkan oleh aktor jahat blok B tidak valid. Misalkan di blok ini 1000 token dicetak tipis mengudara di akun Alice. Aktor jahat kemudian menghasilkan blok C yang valid (dalam a merasakan bahwa transaksi di C diterapkan dengan benar) di atas B, membingungkan blok B yang tidak valid, dan memulai transaksi lintas pecahan ke Shard #2 itu mentransfer 1000 token itu ke rekening Bob. Mulai saat ini yang tidak semestinya token yang dibuat berada di blockchain yang sepenuhnya valid di Shard #2. Beberapa pendekatan sederhana untuk mengatasi masalah ini adalah: 6Baca ini artikel untuk detail pada bagaimana adaptif korupsi bisa menjadi dibawa keluar: https://medium.com/nearprotocol/d859adb464c8. Untuk lebih detail pada adaptif korupsi, membaca https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Sharding-FAQ# model-keamanan-apa-yang-kami-operasikan-dibawahnyaGambar 7: Transaksi lintas pecahan dari rantai yang memiliki blok tidak valid 1. Untuk validators Shard #2 untuk memvalidasi blok tempat transaksi dimulai. Ini tidak akan berfungsi bahkan pada contoh di atas, karena blok C tampaknya sepenuhnya valid. 2. Untuk validators di Shard #2 untuk memvalidasi sejumlah besar blok sebelum blok tempat transaksi dimulai. Tentu saja untuk sejumlah blok N yang divalidasi oleh pecahan penerima yang berbahaya validators dapat membuat N+1 blok valid di atas blok tidak valid tersebut diproduksi. Ide yang menjanjikan untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menyusun pecahan menjadi sebuah grafik tidak berarah di mana setiap pecahan terhubung ke beberapa pecahan lainnya, dan hanya mengizinkan transaksi lintas pecahan antar pecahan yang bertetangga (misalnya begini caranya Pecahan Vlad Zamfir pada dasarnya berhasil7, dan gagasan serupa digunakan dalam gagasan Kadena Jaringan rantai [1]). Jika diperlukan transaksi lintas shard antar shard yang ada bukan tetangga, transaksi tersebut disalurkan melalui banyak pecahan. Dalam desain ini a validator di setiap shard diharapkan memvalidasi semua blok di shardnya serta semua blok di semua pecahan di sekitarnya. Perhatikan gambar di bawah ini dengan 10 pecahan, masing-masing memiliki empat pecahan tetangga, dan tidak ada dua pecahan yang membutuhkan lebih banyak dari dua lompatan untuk komunikasi lintas pecahan yang ditunjukkan pada gambar 8. Pecahan #2 tidak hanya memvalidasi blockchain miliknya sendiri, tetapi juga blockchain dari semua tetangga, termasuk Shard #1. Jadi jika ada aktor jahat di Shard #1 sedang mencoba membuat blok B yang tidak valid, lalu membangun blok C di atasnya dan memulai transaksi lintas pecahan, transaksi lintas pecahan tersebut tidak akan berjalan melalui sejak Shard #2 akan memvalidasi seluruh sejarah Shard #1 yang mana akan menyebabkannya mengidentifikasi blok B yang tidak valid. 7Baca lebih lanjut tentang desain di sini: https://medium.com/nearprotocol/37e538177ed9
Gambar 8: Transaksi lintas pecahan yang tidak valid dalam sistem seperti chainweb yang akan melakukannya terdeteksi Meskipun merusak satu pecahan bukan lagi serangan yang layak, namun merusak a beberapa pecahan masih menjadi masalah. Pada gambar 9 musuh merusak kedua Shard
1 dan Shard #2 berhasil mengeksekusi transaksi lintas shard ke Shard #3
dengan dana dari blok B yang tidak valid: Gambar 9: Transaksi lintas pecahan yang tidak valid dalam sistem seperti chainweb yang akan melakukannya tidak terdeteksi Shard #3 memvalidasi semua blok di Shard #2, tetapi tidak di Shard #1, dan tidak memiliki cara untuk mendeteksi blok berbahaya. Ada dua arah utama dalam menyelesaikan validitas negara dengan tepat: nelayan
dan bukti komputasi kriptografi. 2.3 Nelayan Ide di balik pendekatan pertama adalah sebagai berikut: setiap kali ada header blok dikomunikasikan antar rantai untuk tujuan apa pun (seperti tautan silang ke rantai suar, atau transaksi lintas pecahan), ada periode waktu selama itu yang mana validator yang jujur dapat memberikan bukti bahwa blok tersebut tidak valid. Di sana Ada berbagai konstruksi yang memungkinkan bukti yang sangat ringkas bahwa balok-balok tersebut memang ada tidak valid, sehingga overhead komunikasi untuk node penerima jauh lebih kecil daripada menerima blok penuh. Dengan pendekatan ini selama setidaknya ada satu validator yang jujur di dalamnya pecahan, sistem aman. Gambar 10: Nelayan Ini adalah pendekatan yang dominan (selain berpura-pura bahwa masalahnya tidak ada) di antara protokol-protokol yang diusulkan saat ini. Namun pendekatan ini memiliki dua hal kelemahan utama: 1. Periode tantangan harus cukup lama untuk validator yang jujur untuk mengenali suatu blok telah diproduksi, mengunduhnya, memverifikasinya sepenuhnya, dan mempersiapkannya tantangan jika blok tidak valid. Memperkenalkan periode seperti itu akan membantu secara signifikan memperlambat transaksi lintas pecahan. 2. Adanya protokol tantangan menciptakan vektor serangan baru ketika node jahat melakukan spam dengan tantangan yang tidak valid. Solusi yang jelas untuk masalah ini adalah membuat penantang menyetor sejumlah tokens itu dikembalikan jika tantangannya valid. Ini hanyalah solusi parsial mungkin masih bermanfaat bagi musuh untuk mengirim spam ke sistem (dan membakar deposito) dengan tantangan yang tidak valid, misalnya untuk mencegah validtantangan dari validator yang jujur dari yang dilalui. Serangan-serangan ini adalah disebut Serangan Berduka. Lihat bagian 3.7.2 untuk mengetahui cara menyiasati poin terakhir. 2.4 Argumen Pengetahuan Non-interaktif Ringkas Solusi kedua terhadap korupsi multiple-shard adalah dengan menggunakan semacam konstruksi kriptografi yang memungkinkan seseorang membuktikan bahwa perhitungan tertentu (seperti sebagai komputasi satu blok dari serangkaian transaksi) dilakukan dengan benar. Konstruksi seperti itu memang ada, mis. zk-SNARKs, zk-STARKs dan beberapa lainnya, dan beberapa saat ini secara aktif digunakan dalam protokol blockchain untuk pembayaran pribadi, terutama ZCash. Masalah utama dengan kaum primitif seperti itu adalah mereka terkenal lambat untuk dihitung. Misalnya. Protokol Coda, yang menggunakan zk-SNARKs khusus untuk membuktikan bahwa semua blok di blockchain valid, dikatakan dalam satu dari wawancara bahwa diperlukan waktu 30 detik per transaksi untuk membuat bukti (jumlah ini mungkin lebih kecil saat ini). Menariknya, sebuah pembuktian tidak perlu dihitung oleh pihak yang terpercaya buktinya tidak hanya membuktikan keabsahan penghitungan yang dibuatnya, tetapi juga membuktikannya keabsahan pembuktian itu sendiri. Dengan demikian, perhitungan pembuktian tersebut dapat dibagi di antara sekelompok peserta dengan redundansi yang jauh lebih sedikit dibandingkan yang seharusnya diperlukan untuk melakukan beberapa perhitungan yang tidak dapat dipercaya. Hal ini juga memungkinkan untuk peserta yang menghitung zk-SNARK untuk dijalankan pada perangkat keras khusus tanpa mengurangi desentralisasi sistem. Tantangan zk-SNARKs, selain kinerja, adalah: 1. Ketergantungan pada kriptografi primitif yang kurang diteliti dan kurang teruji waktu; 2. "Limbah beracun" - zk-SNARK bergantung pada pengaturan tepercaya di mana suatu grup orang melakukan beberapa perhitungan dan kemudian membuang perantara nilai perhitungan itu. Jika semua peserta dalam prosedur berkolusi dan mempertahankan nilai tengahnya, bukti palsu dapat dibuat; 3. Kompleksitas ekstra dimasukkan ke dalam desain sistem; 4. zk-SNARKs hanya berfungsi untuk sebagian dari kemungkinan komputasi, jadi sebuah protokol dengan bahasa smart contract lengkap Turing tidak akan dapat digunakan SNARK untuk membuktikan validitas rantai. 2.5 Ketersediaan Data Masalah kedua yang akan kami bahas adalah ketersediaan data. Umumnya node mengoperasikan blockchain tertentu dipisahkan menjadi dua kelompok: Node Penuh, mereka yang mengunduh setiap blok penuh dan memvalidasi setiap transaksi, dan Ringan Node, yang hanya mengunduh header blok, dan menggunakan bukti Merkle untuk bagian-bagiannya negara dan transaksi yang mereka minati, seperti yang ditunjukkan pada gambar 11.
Gambar 11: Pohon Merkle Sekarang jika mayoritas node penuh berkolusi, mereka dapat menghasilkan blok, valid atau tidak valid, dan kirimkan hash-nya ke node lampu, tetapi jangan pernah mengungkapkan konten lengkapnya dari blok tersebut. Ada berbagai cara yang dapat mereka manfaatkan. Misalnya, perhatikan gambar 12: Gambar 12: Masalah Ketersediaan Data Ada tiga blok: blok sebelumnya, A, diproduksi oleh validators yang jujur; arus, B, berkolusi validator; dan berikutnya, C, juga akan diproduksi dengan jujur validators (blockchain digambarkan di pojok kanan bawah). Anda adalah seorang pedagang. validators dari blok saat ini (B) menerima blok A dari validators sebelumnya, menghitung blok tempat Anda menerima uang,dan mengirimi Anda tajuk blok itu dengan bukti Merkle tentang negara bagiannya Anda memiliki uang (atau bukti Merkle dari transaksi sah yang mengirimkan uang tersebut kepada Anda). Yakin transaksi telah selesai, Anda menyediakan layanan tersebut. Namun, validators tidak pernah mendistribusikan seluruh konten blok B ke dalamnya siapa pun. Dengan demikian, validator yang jujur dari blok C tidak dapat mengambil blok tersebut, dan terpaksa menghentikan sistem atau membangun di atas A, sehingga membuat Anda kehilangan a pedagang uang. Saat kami menerapkan skenario yang sama pada sharding, definisi penuh dan light node umumnya berlaku per shard: validators di setiap unduhan shard memblokir di pecahan itu dan memvalidasi setiap transaksi di pecahan itu, tetapi lainnya node dalam sistem, termasuk node yang mengambil status rantai pecahan ke dalam rantai suar, hanya unduh headernya. Jadi validator yang ada di pecahan adalah node penuh secara efektif untuk pecahan itu, sementara peserta lain dalam sistem, termasuk rantai suar, beroperasi sebagai titik cahaya. Agar pendekatan nelayan yang kita bahas di atas berhasil, jujurlah validators harus dapat mengunduh blok yang terhubung silang ke rantai suar. Jika validators jahat menghubungkan header dari blok yang tidak valid (atau menggunakannya untuk memulai transaksi lintas pecahan), tetapi tidak pernah mendistribusikan blok, jujur validators tidak punya cara untuk membuat tantangan. Kami akan membahas tiga pendekatan untuk mengatasi masalah ini yang saling melengkapi satu sama lain. 2.5.1 Bukti Penitipan Masalah paling mendesak yang harus dipecahkan adalah apakah suatu blok tersedia satu kali itu diterbitkan. Salah satu ide yang diusulkan adalah untuk memiliki apa yang disebut Notaris yang melakukan rotasi antar pecahan lebih sering daripada validator yang tugasnya hanya mengunduh a memblokir dan membuktikan fakta bahwa mereka dapat mengunduhnya. Bisa jadi diputar lebih sering karena tidak perlu mengunduh seluruh negara bagian pecahan, tidak seperti validator yang tidak dapat sering diputar sejak saat itu harus mengunduh status pecahan setiap kali beling diputar, seperti yang ditunjukkan pada gambar 13. Masalah dengan pendekatan naif ini adalah tidak mungkin dibuktikan di kemudian hari apakah Notaris itu mampu atau tidak untuk mengunduh blok tersebut, jadi Notaris dapat memilih untuk selalu membuktikan bahwa mereka dapat mengunduh blok tersebut tanpa bahkan mencoba mengambilnya. Salah satu solusinya adalah Notaris yang menyediakan beberapa bukti atau mempertaruhkan sejumlah token untuk membuktikan bahwa blok tersebut benar diunduh. Salah satu solusi tersebut dibahas di sini: https://ethresear.ch/t/ Obligasi-penahanan-ramah-agregasi-1-bit/2236. 2.5.2 Kode Penghapusan Ketika node cahaya tertentu menerima hash dari sebuah blok, untuk meningkatkan node tersebut yakin bahwa blok tersebut tersedia, ia dapat mencoba mengunduh beberapa secara acak potongan blok. Ini bukan solusi yang lengkap, karena kecuali titik cahaya secara kolektif mengunduh seluruh blok yang dapat dipilih oleh produsen blok jahat
Gambar 13: Validator perlu mengunduh status sehingga tidak dapat dirotasi sering untuk menahan bagian blok yang tidak diunduh oleh node lampu mana pun, sehingga masih membuat blok tidak tersedia. Salah satu solusinya adalah dengan menggunakan konstruksi yang disebut Erasure Codes untuk mewujudkannya untuk memulihkan blok penuh meskipun hanya sebagian dari blok yang tersedia, seperti yang ditunjukkan pada gambar 14. Gambar 14: Merkle tree dibangun di atas data berkode penghapusan Baik Polkadot dan Ethereum Serenity memiliki desain seputar gagasan ini yang menyediakan cara bagi node cahaya untuk cukup yakin bahwa blok tersebut tersedia. Pendekatan Ethereum Serenity memiliki penjelasan rinci di [2].2.5.3 Pendekatan Polkadot terhadap ketersediaan data Di Polkadot, seperti pada sebagian besar solusi shard, setiap shard (disebut parachain) mengambil snapshot bloknya ke rantai suar (disebut rantai relai). Katakanlah ada 2f + 1 validators pada rantai relai. Produsen blok dari blok parachain, disebut collators, setelah blok parachain diproduksi, hitung versi blok yang diberi kode penghapusan yang terdiri dari 2f +1 bagian sedemikian rupa sehingga f bagian mana pun mencukupi untuk merekonstruksi blok tersebut. Mereka kemudian mendistribusikan satu bagian ke setiap validator di rantai relai. Rantai relai tertentu validator hanya akan masuk pada rantai relai blok jika mereka memiliki bagiannya untuk setiap blok parachain yang di-snapshot blok rantai relai tersebut. Jadi, jika blok rantai relai memiliki tanda tangan dari 2f + 1 validators, dan selama tidak lebih dari f yang melanggar protokol, masing-masing blok parachain dapat direkonstruksi dengan mengambil bagian dari validators yang mengikuti protokol. Lihat gambar 15. Gambar 15: ketersediaan data Polkadot 2.5.4 Ketersediaan data jangka panjang Perhatikan bahwa semua pendekatan yang dibahas di atas hanya membuktikan fakta bahwa sebuah blok telah diterbitkan sama sekali, dan tersedia sekarang. Blok nantinya bisa menjadi tidak tersedia karena berbagai alasan: node mati, node sengaja menghapus riwayat data, dan lain-lain. Whitepaper yang layak disebutkan untuk mengatasi masalah ini adalah Polyshard [3], yang menggunakan kode penghapusan untuk membuat blok tersedia di seluruh pecahan meskipun beberapa pecahan benar-benar kehilangan datanya. Sayangnya pendekatan khusus mereka memerlukan hal ini semua pecahan untuk mengunduh blok dari semua pecahan lainnya, yang merupakan penghalang mahal. Ketersediaan jangka panjang bukanlah suatu masalah yang mendesak: karena tidak ada peserta dalam sistem diharapkan mampu memvalidasi semua rantai di semua
pecahan, keamanan protokol shard perlu dirancang sedemikian rupa cara agar sistem tetap aman meskipun beberapa blok lama di beberapa pecahan menjadi sama sekali tidak tersedia.
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。
Nightshade
3.1 Dari rantai pecahan hingga pecahan pecahan Model sharding dengan rantai shard dan rantai suar sangat kuat namun mempunyai kompleksitas tertentu. Secara khusus, aturan pilihan garpu perlu dijalankan di setiap rantai secara terpisah, aturan pilihan garpu di rantai pecahan dan suar rantai harus dibuat secara berbeda dan diuji secara terpisah. Di Nightshade kami memodelkan sistem sebagai blockchain tunggal, yang masing-masingnya blok secara logis berisi semua transaksi untuk semua pecahan, dan mengubah seluruh keadaan dari semua pecahan. Namun secara fisik, tidak ada peserta yang mengunduhnya keadaan penuh atau blok logis penuh. Sebaliknya, masing-masing peserta jaringan saja mempertahankan status yang sesuai dengan pecahan yang transaksinya divalidasi, dan daftar semua transaksi di blok dibagi menjadi fisik potongan, satu potongan per pecahan. Dalam kondisi ideal, setiap blok berisi tepat satu bongkahan per pecahan per blok, yang kira-kira sesuai dengan model dengan rantai pecahan di mana rantai pecahan menghasilkan balok dengan kecepatan yang sama dengan rantai suar. Namun, karena penundaan jaringan, beberapa bagian mungkin hilang, jadi dalam praktiknya setiap blok berisi satu atau nol potongan per pecahan. Lihat bagian 3.3 untuk rincian tentang caranya blok diproduksi. Gambar 16: Model dengan rantai pecahan di sebelah kiri dan memiliki satu rantai blok terbelah menjadi beberapa bagian di sebelah kanan
3.2 Konsensus Dua pendekatan dominan terhadap konsensus di blockchains saat ini adalah rantai terpanjang (atau terberat), yaitu rantai yang mempunyai pekerjaan atau pasak paling banyak digunakan untuk membangunnya dianggap kanonik, dan BFT, di mana untuk setiap blok beberapa kumpulan validator mencapai konsensus BFT. Dalam protokol yang diusulkan baru-baru ini, pendekatan terakhir adalah pendekatan yang lebih dominan, karena hal ini memberikan penyelesaian langsung, sedangkan pada rantai terpanjang dibutuhkan lebih banyak blok untuk dibangun di atas blok untuk memastikan finalitas. Seringkali untuk sesuatu yang bermakna keamanan waktu yang dibutuhkan untuk membangun jumlah blok yang cukup urutan jam. Penggunaan konsensus BFT pada setiap blok juga memiliki kelemahan, seperti: 1. BFT konsensus melibatkan banyak komunikasi. Sementara kemajuan terkini memungkinkan konsensus dicapai dalam jumlah waktu yang linier peserta (lihat misalnya [4]), masih terlihat biaya overhead per blok; 2. Tidak mungkin semua peserta jaringan berpartisipasi dalam BFT konsensus per blok, sehingga biasanya hanya sebagian peserta yang diambil sampelnya secara acak yang mencapai konsensus. Himpunan sampel yang diambil secara acak, pada prinsipnya, dapat berupa dirusak secara adaptif, dan sebuah percabangan dalam teori dapat tercipta. Sistem keduanya perlu dicontohkan agar siap menghadapi peristiwa semacam itu, dan dengan demikian tetap saja memiliki aturan pilihan bercabang selain konsensus BFT, atau dirancang untuk ditutup turun dalam acara seperti itu. Perlu disebutkan bahwa beberapa desain, seperti Algorand [5], secara signifikan mengurangi kemungkinan korupsi adaptif. 3. Yang terpenting, sistem terhenti jika 1 3 atau lebih dari semua peserta adalah offline. Oleh karena itu, kesalahan jaringan sementara atau perpecahan jaringan dapat menghentikan sistem sepenuhnya. Idealnya sistem harus dapat terus berjalan beroperasi selama setidaknya setengah dari peserta sedang online (yang terberat protokol berbasis rantai terus beroperasi meskipun kurang dari separuh peserta sedang online, namun keinginan akan properti ini masih bisa diperdebatkan dalam komunitas). Model hibrida yang menggunakan konsensus adalah model yang paling berat rantai, tetapi beberapa blok diselesaikan secara berkala menggunakan gadget finalitas BFT mempertahankan keunggulan kedua model. Gadget finalitas BFT seperti itu Casper FFG [6] digunakan di Ethereum 2.0 8, Casper CBC (lihat https://vitalik. ca/general/2018/12/05/cbc_casper.html) dan GRANDPA (lihat https:// medium.com/polkadot-network/d08a24a021b5) digunakan di Polkadot. Nightshade menggunakan konsensus rantai terberat. Khususnya ketika sebuah blok produsen memproduksi sebuah blok (lihat bagian 3.3), mereka dapat mengumpulkan tanda tangan darinya produsen blok lain dan validators membuktikan blok sebelumnya. Lihat bagian 3.8 untuk rincian bagaimana sejumlah besar tanda tangan dikumpulkan. Beratnya 8Lihat juga sesi papan tulis bersama Justin Drake untuk gambaran mendalam tentang Casper FFG, dan bagaimana integrasinya dengan konsensus rantai terberat GHOST di sini: https://www. youtube.com/watch?v=S262StTwkmosuatu blok kemudian merupakan saham kumulatif dari semua penandatangan yang memiliki tanda tangan tersebut termasuk dalam blok tersebut. Berat suatu rantai adalah jumlah dari berat balok. Di atas konsensus rantai terberat, kami menggunakan gadget finalitas yang digunakan pengesahan untuk menyelesaikan blok. Untuk mengurangi kompleksitas sistem, kami menggunakan gadget finalitas yang tidak mempengaruhi aturan pilihan garpu dengan cara apa pun, dan sebagai gantinya hanya memperkenalkan kondisi pemotongan tambahan, sehingga satu blok menjadi satu diselesaikan oleh gadget finalitas, percabangan tidak mungkin dilakukan kecuali persentasenya sangat besar dari total taruhannya dipotong. Casper CBC adalah gadget finalitas, dan kami saat ini menjadi model dengan mempertimbangkan Casper CBC. Kami juga mengerjakan protokol BFT terpisah yang disebut TxFlow. Pada saat saat menulis dokumen ini, tidak jelas apakah TxFlow akan digunakan sebagai pengganti Casper KBK. Namun kami mencatat bahwa pilihan gadget finalitas sebagian besar ortogonal terhadap desain lainnya. 3.3 Blokir produksi Di Nightshade ada dua peran: produser blok dan validators. Kapan saja titik sistem berisi produsen blok w, w = 100 dalam model kita, dan wv validators, dalam model kami v = 100, wv = 10, 000. Sistemnya adalah Proof-of-Stake, artinya produsen blok dan validator memiliki sejumlah internal mata uang (disebut ”tokens”) dikunci untuk durasi waktu yang jauh melebihi waktu yang mereka habiskan untuk melaksanakan tugas mereka membangun dan memvalidasi rantai. Seperti semua sistem Proof of Stake, tidak semua produsen blok w dan tidak semua wv validator adalah entitas yang berbeda, karena hal tersebut tidak dapat diterapkan. Masing-masing dari produsen blok w dan wv validators, bagaimanapun, memiliki yang terpisah taruhan. Sistem berisi n pecahan, n = 1000 dalam model kami. Seperti disebutkan dalam bagian 3.1, di Nightshade tidak ada rantai pecahan, sebagai gantinya semua produsen blok dan validator sedang membangun satu blockchain, yang kami sebut sebagai rantai utama. Keadaan rantai utama dibagi menjadi n pecahan, dan setiap blok produser dan validator setiap saat hanya mengunduh sebagian dari secara lokal keadaan yang sesuai dengan beberapa subset pecahan, dan hanya memproses dan memvalidasi transaksi yang mempengaruhi bagian negara bagian tersebut. Untuk menjadi produsen blok, peserta jaringan mengunci beberapa blok besar jumlah tokens (satu taruhan). Pemeliharaan jaringan dilakukan dalam jangka waktu tertentu, di mana suatu zaman adalah periode waktu dalam urutan hari. Para peserta dengan taruhan terbesar pada awal periode tertentu adalah blok produsen untuk zaman itu. Setiap produser blok ditugaskan ke sw shards, (misalnya sw = 40, yang berarti sww/n = 4 produsen blok per pecahan). Blok produser mengunduh status shard yang ditugaskan kepada mereka sebelum epoch dimulai, dan sepanjang epoch mengumpulkan transaksi yang memengaruhi pecahan itu, dan menerapkannya pada negara. Untuk setiap blok b pada rantai utama, dan untuk setiap pecahan s, terdapat salah satu darinya menugaskan produser blok ke s yang bertanggung jawab memproduksi bagian b terkait ke pecahan. Bagian b yang berhubungan dengan shard s disebut chunk, dan berisi daftar transaksi pecahan yang akan dimasukkan ke dalam b, serta merkleakar dari keadaan yang dihasilkan. b pada akhirnya hanya akan berisi header yang sangat kecil chunk yaitu akar merkle dari semua transaksi yang diterapkan (lihat bagian 3.7.1 untuk rincian yang tepat), dan akar merkle dari keadaan akhir. Sepanjang sisa dokumen ini kita sering merujuk pada produsen blok yang bertanggung jawab untuk menghasilkan potongan pada waktu tertentu untuk pecahan tertentu sebagai produsen bongkahan. Produser bongkahan selalu menjadi salah satu produsen blok. Produsen blok dan produsen bongkahan merotasi setiap blok sesuai ke jadwal yang tetap. Produsen blok mendapat pesanan dan memproduksi berulang kali blok dalam urutan itu. Misalnya. jika ada 100 produsen blok, blok pertama produsen bertanggung jawab untuk memproduksi blok 1, 101, 201 dst, yang kedua adalah bertanggung jawab untuk memproduksi 2, 102, 202 dll). Karena produksi potongan, tidak seperti produksi blok, memerlukan pemeliharaan negara bagian, dan untuk setiap shard hanya produsen blok sww/n yang mempertahankan negara bagian tersebut per pecahan, hanya produsen blok sww/n yang dirotasi untuk membuat potongan. Misalnya. dengan konstanta di atas dengan empat produsen blok yang ditugaskan setiap pecahan, setiap produsen blok akan membuat potongan setiap empat blok. 3.4 Memastikan ketersediaan data Untuk memastikan ketersediaan data kami menggunakan pendekatan yang serupa dengan Polkadot dijelaskan di bagian 2.5.3. Setelah produsen blok memproduksi suatu bongkahan, mereka menciptakannya versi kode penghapusan dengan kode blok optimal (w, ⌊w/6 + 1⌋) dari potongan. Mereka kemudian mengirimkan satu bagian dari potongan kode penghapusan (kami menyebutnya potongan tersebut bagian potongan, atau hanya bagian) ke setiap produsen blok. Kami menghitung pohon merkle yang berisi semua bagian seperti daun, dan header setiap potongan berisi akar merkle dari pohon tersebut. Bagian-bagian tersebut dikirim ke validators melalui pesan satu bagian. Setiap pesan tersebut berisi header potongan, urutan bagian, dan isi bagian. Itu pesan juga berisi tanda tangan produser blok yang memproduksinya chunk dan jalur merkle untuk membuktikan bahwa bagian tersebut sesuai dengan header dan diproduksi oleh produsen blok yang tepat. Setelah produsen blok menerima blok rantai utama, pertama-tama mereka memeriksa apakah sudah diterima memiliki pesan satu bagian untuk setiap potongan yang disertakan dalam blok. Jika tidak, blokir tidak diproses sampai pesan satu bagian yang hilang diambil. Setelah semua pesan satu bagian diterima, produser blok mengambil pesan tersebut bagian yang tersisa dari rekan-rekannya dan merekonstruksi bagian-bagian yang mereka pegang negara bagian. Produsen blok tidak memproses blok rantai utama jika setidaknya untuk satu blok potongan yang termasuk dalam blok tersebut tidak memiliki pesan satu bagian yang sesuai, atau jika setidaknya untuk satu pecahan yang statusnya dipertahankan, mereka tidak dapat merekonstruksi seluruh potongan. Agar potongan tertentu tersedia, cukup ⌊w/6⌋+1 blok tersebut produsen memiliki bagiannya dan melayaninya. Jadi, selama jumlahnya aktor jahat tidak melebihi ⌊w/3⌋tidak ada rantai yang memiliki lebih dari setengah blok produsen yang membangunnya mungkin memiliki bagian yang tidak tersedia.Gambar 17: Setiap blok berisi satu atau nol bongkahan per pecahan, dan setiap bongkahan adalah kode penghapusan. Setiap bagian dari potongan kode penghapusan dikirim ke tempat yang ditunjuk blok produser melalui pesan satu bagian khusus 3.4.1 Berurusan dengan produsen blok yang malas Jika produsen blok mempunyai blok yang pesan satu bagiannya hilang, mereka mungkin memilih untuk tetap menandatanganinya, karena jika blok itu akhirnya dirantai akan memaksimalkan imbalan bagi produsen blok. Tidak ada risiko untuk pemblokiran tersebut produsen blok karena tidak mungkin untuk membuktikan kemudian bahwa produsen blok tidak memilikinya pesan satu bagian. Untuk mengatasinya kita membuat setiap potongan menjadi produser saat membuat potongan tersebut pilih warna (merah atau biru) untuk setiap bagian dari potongan yang dikodekan di masa depan, dan simpan bitmask warna yang ditetapkan dalam potongan sebelum dikodekan. Masing-masing bagian pesan kemudian berisi warna yang ditetapkan ke bagian tersebut, dan warna tersebut digunakan saat menghitung akar merkle dari bagian yang dikodekan. Jika produsen bongkahan menyimpang dari protokolnya bisa dibuktikan dengan mudah, karena root merkle juga tidak sesuai dengan pesan satu bagian, atau warna dalam pesan satu bagian itu sesuai dengan akar merkle tidak akan cocok dengan topeng di potongan. Ketika produsen blok menandatangani sebuah blok, mereka menyertakan bitmask dari semuanya bagian merah yang mereka terima untuk bongkahan yang termasuk dalam blok. Penerbitan sebuah bitmask yang salah adalah perilaku yang dapat disayat. Jika produsen blok belum menerima a pesan satu bagian, mereka tidak tahu warna pesannya, dan sehingga memiliki peluang 50% untuk ditebas jika mereka mencoba menandatangani secara membabi buta blok. 3.5 Aplikasi transisi negara Produsen bongkahan hanya memilih transaksi mana yang akan dimasukkan ke dalam bongkahan tersebut jangan menerapkan transisi keadaan ketika mereka menghasilkan potongan. Sejalan dengan itu,
header chunk berisi root merkle dari status merkel seperti sebelumnya transaksi dalam potongan diterapkan. Transaksi hanya diterapkan bila blok penuh yang mencakup potongan sedang diproses. Seorang peserta hanya memproses satu blok jika 1. Blok sebelumnya telah diterima dan diproses; 2. Untuk setiap bagian, peserta tidak mempertahankan status yang mereka miliki melihat pesan satu bagian; 3. Untuk setiap bagian, peserta mempertahankan status yang mereka miliki potongan penuh. Setelah blok diproses, untuk setiap pecahan yang menjadi peserta mempertahankan statusnya, mereka menerapkan transaksi dan menghitung status baru terhitung setelah transaksi diterapkan, setelah itu siap berproduksi potongan untuk blok berikutnya, jika ditugaskan ke pecahan apa pun, karena sudah ada akar merkle dari negara merkel baru. 3.6 Transaksi dan penerimaan lintas pecahan Jika suatu transaksi perlu memengaruhi lebih dari satu shard, transaksi tersebut harus dilakukan secara berurutan dieksekusi di setiap pecahan secara terpisah. Transaksi lengkap dikirim ke pecahan pertama terpengaruh, dan setelah transaksi dimasukkan dalam potongan untuk pecahan tersebut, dan diterapkan setelah potongan dimasukkan ke dalam blok, itu menghasilkan apa yang disebut tanda terima transaksi, yang dialihkan ke pecahan berikutnya yang memerlukan transaksi dieksekusi. Jika diperlukan lebih banyak langkah, eksekusi transaksi penerimaan menghasilkan transaksi penerimaan baru dan seterusnya. 3.6.1 Penerimaan transaksi seumur hidup Sebaiknya transaksi penerimaan diterapkan di blok yang segera mengikuti blok tempat transaksi tersebut dihasilkan. Transaksi resinya saja dihasilkan setelah blok sebelumnya diterima dan diterapkan oleh produsen blok yang mempertahankan pecahan asal, dan perlu diketahui pada saat itu potongan untuk blok berikutnya diproduksi oleh produsen blok tujuan pecahan. Oleh karena itu, tanda terima harus dikomunikasikan dari pecahan sumber ke pecahan tujuan dalam jangka waktu singkat antara kedua peristiwa tersebut. Misalkan A adalah blok terakhir yang diproduksi yang berisi transaksi t yang menghasilkan tanda terima r. Misalkan B adalah blok yang diproduksi berikutnya (yaitu blok yang mempunyai A sebagai blok sebelumnya) yang ingin kita tampung r. Misalkan t berada di pecahan a dan r dalam pecahan b. Masa berlaku kuitansi, juga digambarkan pada gambar 18, adalah sebagai berikut: Memproduksi dan menyimpan kuitansi. Cpa produsen bongkahan untuk shard a menerima blok A, menerapkan transaksi t dan menghasilkan tanda terima r. cpa kemudian menyimpan semua penerimaan yang dihasilkan dalam penyimpanan persisten internal yang diindeks dengan id pecahan sumber.Mendistribusikan kuitansi. Setelah cpa siap untuk menghasilkan potongannya shard a untuk blok B, mereka mengambil semua tanda terima yang dihasilkan dengan menerapkan transaksi dari blok A untuk shard a, dan memasukkannya ke dalam potongan untuk shrad a di blok B. Setelah potongan tersebut dibuat, cpa menghasilkan kode penghapusannya versi dan semua pesan satu bagian yang terkait. cpa mengetahui produsen blok mana yang mempertahankan status penuh untuk pecahan mana. Untuk produsen blok tertentu bp cpa mencakup penerimaan yang dihasilkan dari penerapan transaksi di blok A untuk shard a yang memiliki salah satu shard yang dipedulikan bp sebagai tujuannya dalam pesan satu bagian ketika mereka mendistribusikan potongan untuk pecahan a di blok B (lihat gambar 17, yang menunjukkan tanda terima yang disertakan dalam pesan satu bagian). Menerima kuitansi. Ingatlah bahwa peserta (produsen blok dan validators) tidak memproses blok sampai mereka memiliki pesan satu bagian untuk setiap potongan yang termasuk dalam blok. Jadi, pada saat peserta tertentu menerapkan blok B, mereka memiliki semua pesan satu bagian yang sesuai potongan di B, dan dengan demikian mereka memiliki semua tanda terima masuk yang memiliki pecahannya peserta mempertahankan negara bagian sebagai tujuannya. Saat menerapkan transisi status untuk pecahan tertentu, peserta menerapkan kedua tanda terima tersebut yang telah mereka kumpulkan untuk pecahan di pesan satu bagian, dan juga semuanya transaksi yang termasuk dalam potongan itu sendiri. Gambar 18: Seumur hidup transaksi penerimaan 3.6.2 Menangani terlalu banyak tanda terima Ada kemungkinan bahwa jumlah penerimaan yang menargetkan pecahan tertentu di a blok tertentu terlalu besar untuk diproses. Misalnya, perhatikan gambar 19, di yang mana setiap transaksi di setiap shard menghasilkan tanda terima yang menargetkan shard 1. Pada blok berikutnya, jumlah resi yang perlu diproses oleh shard 1 adalah sebanding dengan beban yang diproses gabungan semua pecahan saat ditangani blok sebelumnya.
Gambar 19: Jika semua tanda terima menargetkan shard yang sama, shard tersebut mungkin tidak memilikinya kemampuan untuk memprosesnya Untuk mengatasinya kami menggunakan teknik serupa dengan yang digunakan di QuarkChain 9. Khususnya, untuk setiap shard, blok B terakhir dan shard terakhir di dalamnya blok dari mana tanda terima diterapkan dicatat. Saat pecahan baru ada dibuat, tanda terima diterapkan secara berurutan terlebih dahulu dari sisa pecahan di B, dan kemudian di blok berikutnya B, sampai bongkahan baru penuh. Di bawah normal keadaan dengan beban seimbang maka umumnya akan menghasilkan semua penerimaan sedang diterapkan (dan dengan demikian pecahan terakhir dari blok terakhir akan dicatat setiap potongan), tetapi pada saat beban tidak seimbang, dan tertentu shard menerima banyak tanda terima yang tidak proporsional, teknik ini memungkinkannya diproses dengan tetap menghormati batasan jumlah transaksi yang disertakan. Perhatikan bahwa jika beban tidak seimbang tersebut bertahan dalam waktu yang lama, penundaan akan terjadi pembuatan tanda terima hingga aplikasi dapat terus berkembang tanpa batas. Satu cara untuk mengatasinya adalah dengan membatalkan transaksi apa pun yang menghasilkan tanda terima yang menargetkan a pecahan yang memiliki penundaan pemrosesan yang melebihi beberapa konstanta (misalnya satu zaman). Perhatikan gambar 20. Berdasarkan blok B pecahan 4 tidak dapat memproses semua kuitansi, jadi hanya memproses penerimaan asal hingga shard 3 di blok A, dan mencatatnya. Di blok C disertakan resi hingga pecahan 5 di blok B, dan kemudian di blok D pecahannya menyusul, memproses semua sisa kuitansi yang masuk blok B dan semua kuitansi dari blok C. 3.7 Validasi potongan Potongan yang dihasilkan untuk shard tertentu (atau blok shard yang diproduksi untuk rantai shard tertentu dalam model dengan rantai shard) hanya dapat divalidasi oleh 9Lihat episode papan tulis dengan QuarkChain di sini: https://www.youtube.com/watch? v=opEtG6NM4x4, yang didalamnya dibahas antara lain pendekatan transaksi cross-shard halGambar 20: Pemrosesan tanda terima tertunda peserta yang memelihara negara. Mereka dapat menjadi produsen blok, validators, atau hanya saksi eksternal yang mengunduh status dan memvalidasi pecahannya tempat mereka menyimpan aset. Dalam dokumen ini kami berasumsi bahwa mayoritas peserta tidak dapat menyimpan keadaan untuk sebagian besar pecahan. Namun perlu disebutkan, bahwa ada blockchain pecahan yang dirancang dengan asumsi bahwa sebagian besar peserta memiliki kapasitas untuk menyimpan status dan memvalidasi sebagian besarnya pecahannya, seperti QuarkChain. Karena hanya sebagian kecil peserta yang memiliki negara bagian untuk memvalidasi pecahan tersebut potongannya, dimungkinkan untuk adaptif korup hanya pada peserta yang memilikinya negara bagian, dan menerapkan transisi keadaan yang tidak valid. Beberapa desain sharding diusulkan dengan sampel validators setiap beberapa hari, dan dalam satu hari setiap blok dalam rantai pecahan yang memiliki lebih dari 2/3 tanda tangan validator yang ditugaskan pada pecahan tersebut segera dipertimbangkan terakhir. Dengan pendekatan seperti itu, musuh adaptif hanya perlu merusak 2n/3+1 dari validators dalam rantai pecahan untuk menerapkan transisi keadaan yang tidak valid, yang, Meskipun hal ini mungkin sulit dilakukan, namun tingkat keamanannya tidak memadai bagi masyarakat blockchain. Seperti yang dibahas di bagian 2.3, pendekatan umum adalah memberikan jangka waktu tertentu setelah blok dibuat untuk setiap peserta yang memiliki status (baik itu adalah produsen blok, validator, atau pengamat eksternal) yang menantang validitasnya. Peserta seperti ini disebut Nelayan. Agar seorang nelayan bisa menantang blok yang tidak valid, harus dipastikan bahwa blok tersebut tersedia mereka. Ketersediaan data di Nightshade dibahas di bagian 3.4. Di Nightshade, setelah blok diproduksi, potongan tersebut tidak divalidasi oleh siapa pun kecuali produser bongkahan sebenarnya. Khususnya, produsen blok itu menyarankan blok tersebut secara alami tidak memiliki status untuk sebagian besar pecahannya, dantidak dapat memvalidasi potongan tersebut. Ketika blok berikutnya diproduksi, blok tersebut berisi pengesahan (lihat bagian 3.2) dari beberapa produsen blok dan validators, tapi karena mayoritas produsen blok dan validator tidak mengelola negara untuk sebagian besar shard, sebuah blok yang hanya memiliki satu bongkahan yang tidak valid akan mengumpulkan lebih dari separuh pengesahan secara signifikan dan akan terus berada pada pengesahan terberat. rantai. Untuk mengatasi masalah ini, kami mengizinkan peserta mana pun yang mempertahankan status pecahan untuk mengirimkan tantangan secara on-chain untuk setiap potongan tidak valid yang dihasilkan di dalamnya pecahan. 3.7.1 Tantangan validitas negara Setelah peserta mendeteksi bahwa potongan tertentu tidak valid, mereka harus memberikan bukti bahwa potongan tersebut tidak valid. Karena sebagian besar peserta jaringan tidak mempertahankan status pecahan yang berisi potongan tidak valid dihasilkan, bukti tersebut perlu memiliki informasi yang cukup untuk memastikan blok tersebut tidak sah tanpa memiliki negara. Kami menetapkan batas Ls dari jumlah negara (dalam byte) yang satu transaksi dapat membaca atau menulis secara kumulatif. Setiap transaksi yang menyentuh lebih dari Ls negara dianggap tidak sah. Ingat dari bagian 3.5 bahwa potongan tersebut di blok B tertentu hanya berisi transaksi yang akan diterapkan, tapi tidak akar negara baru. Akar negara bagian yang termasuk dalam potongan di blok B adalah negara bagian root sebelum menerapkan transaksi tersebut, tetapi setelah menerapkan transaksi dari potongan terakhir di pecahan yang sama sebelum blok B. Aktor jahat itu ingin menerapkan transisi keadaan yang tidak valid akan mencakup akar keadaan yang salah di blok B yang tidak sesuai dengan state root yang dihasilkan dari penerapan transaksi pada potongan sebelumnya. Kami memperluas informasi yang disertakan oleh produsen bongkahan ke dalam bongkahan tersebut. Alih-alih hanya menyertakan negara setelah menerapkan semua transaksi, malahan menyertakan akar keadaan setelah menerapkan setiap rangkaian transaksi yang berdekatan itu secara kolektif membaca dan menulis Ls byte negara. Dengan informasi ini untuk nelayan untuk menciptakan tantangan bahwa transisi negara diterapkan secara tidak benar cukup untuk menemukan akar status pertama yang tidak valid, dan hanya menyertakan Ls byte keadaan yang dipengaruhi oleh transaksi antara akar keadaan terakhir (yang tadinya valid) dan akar status saat ini dengan bukti merkle. Lalu peserta mana saja dapat memvalidasi transaksi di segmen tersebut dan memastikan bahwa potongan tersebut benar tidak valid. Demikian pula, jika produsen potongan mencoba memasukkan transaksi yang terbaca dan menulis lebih dari Ls byte status, untuk tantangannya cukup dengan menyertakannya byte Ls pertama yang disentuhnya dengan bukti merkle, yang sudah cukup menerapkan transaksi dan memastikan bahwa ada saatnya upaya untuk melakukannya membaca atau menulis konten melebihi Ls byte dibuat.
3.7.2 Nelayan dan transaksi lintas pecahan yang cepat Seperti yang dibahas di bagian 2.3, setelah kita berasumsi bahwa potongan shard (atau shard blok dalam model dengan rantai pecahan) bisa jadi tidak valid dan menimbulkan tantangan periode, hal ini berdampak negatif pada finalitas, dan dengan demikian komunikasi lintas pecahan. Di khususnya, shard tujuan dari transaksi lintas shard tidak dapat dipastikan bongkahan atau blok pecahan asal bersifat final hingga periode tantangan selesai (lihat gambar 21). Gambar 21: Menunggu periode tantangan sebelum menerapkan tanda terima Cara mengatasinya dengan cara melakukan transaksi cross-shard instantenious adalah agar shard tujuan tidak menunggu periode tantangan setelah transaksi pecahan sumber dipublikasikan, dan terapkan transaksi tanda terima segera, tetapi kemudian kembalikan pecahan tujuan bersama dengan sumbernya shard jika kemudian potongan atau blok asal ditemukan tidak valid (lihat gambar 22). Ini berlaku secara alami pada desain Nightshade yang menggunakan beling rantai tidak independen, melainkan semua potongan pecahannya dipublikasikan bersama-sama dalam blok rantai utama yang sama. Jika ada potongan yang ditemukan tidak valid, maka seluruh blok dengan potongan itu dianggap tidak valid, dan semua blok dibangun di atasnya di atasnya. Lihat gambar 23. Kedua pendekatan di atas memberikan atomisitas dengan asumsi tantangan tersebut periodenya cukup lama. Kami menggunakan pendekatan terakhir karena menyediakan transaksi crossshard cepat dalam keadaan normal melebihi ketidaknyamanannya pecahan tujuan dibatalkan karena transisi status yang tidak valid di salah satu pecahan sumber, yang merupakan peristiwa yang sangat langka. 3.7.3 Menyembunyikan validators Adanya tantangan-tantangan tersebut sudah secara signifikan mengurangi kemungkinan terjadinya hal tersebut korupsi adaptif, karena menyelesaikan bagian dengan pos transisi keadaan yang tidak validGambar 22: Menerapkan tanda terima segera dan mengembalikan tujuan rantai jika rantai sumber memiliki blok yang tidak valid Gambar 23: Tantangan nelayan di Nightshade periode tantangan yang dibutuhkan musuh adaptif untuk merusak semua peserta yang mempertahankan status pecahan, termasuk semua validators. Memperkirakan kemungkinan kejadian seperti itu sangatlah rumit, karena tidak ada sharded blockchain telah berumur cukup lama untuk mencoba melakukan serangan seperti itu. Kami berpendapat bahwa kemungkinannya, walaupun sangat rendah, masih cukup besar besar untuk sistem yang diharapkan dapat mengeksekusi jutaan transaksi dan menjalankan operasi keuangan di seluruh dunia. Ada dua alasan utama keyakinan ini: 1. Sebagian besar validator rantai Proof-of-Stake dan penambang di
Rantai Proof-of-Work terutama diberi insentif oleh keuntungan finansial. Jika musuh yang adaptif menawarkan mereka lebih banyak uang daripada keuntungan yang diharapkan dari beroperasi dengan jujur, masuk akal untuk mengharapkan banyak validator akan menerima tawaran itu. 2. Banyak entitas melakukan validasi rantai Proof-of-Stake secara profesional, dan diperkirakan akan ada sebagian besar saham di rantai mana pun dari entitas tersebut. Jumlah entitas tersebut cukup kecil untuk sebuah musuh adaptif untuk mengenal sebagian besar dari mereka secara pribadi dan memiliki a pemahaman yang baik tentang kecenderungan mereka untuk dirusak. Kami mengambil satu langkah lebih jauh dalam mengurangi kemungkinan korupsi adaptif dengan menyembunyikan validator yang ditugaskan ke shard mana. Idenya adalah mirip dengan cara Algorand [5] menyembunyikan validators. Penting untuk dicatat bahwa meskipun validator disembunyikan, seperti pada Algorand atau seperti dijelaskan di bawah ini, korupsi adaptif secara teori masih mungkin terjadi. Sementara musuh adaptif tidak mengetahui peserta yang akan membuat atau memvalidasi satu blok atau satu bagian, para peserta sendiri mengetahui bahwa mereka akan tampil tugas seperti itu dan memiliki bukti kriptografiknya. Jadi, musuh bisa menyiarkan niatnya untuk melakukan korupsi, dan membayar kepada siapa saja peserta yang mau memberikan bukti kriptografi seperti itu. Namun kami mencatat, karena musuh tidak melakukannya mengetahui validator yang ditugaskan ke pecahan yang ingin mereka rusak, mereka tidak punya pilihan lain selain menyiarkan niat mereka untuk merusak pecahan tertentu seluruh komunitas. Pada titik ini, hal ini menguntungkan secara ekonomi bagi siapa pun yang jujur peserta untuk memutar node penuh yang memvalidasi pecahan tersebut, karena ada nilai high kemungkinan munculnya blok yang tidak valid di pecahan itu, yang merupakan peluang untuk itu buat tantangan dan kumpulkan hadiah terkait. Untuk tidak mengungkapkan validator yang ditetapkan ke pecahan tertentu, kami melakukannya berikut ini (lihat gambar 24): Menggunakan VRF untuk mendapatkan tugas. Di awal setiap zaman masing-masing validator menggunakan VRF untuk mendapatkan bitmask dari pecahan yang validator ditugaskan. Bitmask setiap validator akan memiliki bit Sw (lihat bagian 3.3 untuk definisinya dari Sw). validator kemudian mengambil status pecahan yang sesuai, dan selama masa untuk setiap blok yang diterima memvalidasi potongan yang sesuai ke pecahan tempat validator ditugaskan. Masuk dalam blok, bukan bongkahan. Karena penetapan pecahan disembunyikan, validator tidak dapat menandatangani pecahan. Sebaliknya, ia selalu memberi tanda secara keseluruhan blok, sehingga tidak mengungkapkan pecahan apa yang divalidasinya. Khususnya, ketika validator menerima sebuah blok dan memvalidasi semua potongan, ia akan membuat pesan yang membuktikan bahwa semua potongan di semua pecahan yang validator ditugaskan adalah valid (tanpa menunjukkan dengan cara apa pun pecahan itu), atau pesan itu berisi bukti transisi keadaan yang tidak valid jika ada bagian yang tidak valid. Lihat bagian 3.8 untuk rincian tentang bagaimana pesan-pesan tersebut dikumpulkan, bagian 3.7.4 untuk detail tentang cara mencegah validators membonceng pesan dari validator lainnya, dan bagian 3.7.5 untuk detail cara memberi penghargaan dan hukuman validators seandainya tantangan transisi keadaan tidak valid yang berhasil benar-benar terjadi.Gambar 24: Menyembunyikan validator di Nightshade 3.7.4 Pengungkapan Komitmen Salah satu masalah umum dengan validators adalah validator dapat melewatkan pengunduhan status dan benar-benar memvalidasi potongan dan blok, dan sebagai gantinya amati jaringannya, lihat apa yang dikirimkan validator lainnya dan ulangi pesan. validator yang mengikuti strategi seperti itu tidak memberikan tambahan apa pun keamanan untuk jaringan, tetapi mengumpulkan hadiah. Solusi umum untuk masalah ini adalah setiap validator memberikan bukti bahwa mereka benar-benar memvalidasi blok tersebut, misalnya dengan memberikan jejak unik penerapan transisi negara, namun bukti-bukti tersebut meningkatkan biaya secara signifikan validasi. Gambar 25: Pengungkapan komitmen
Sebaliknya kita membuat validator pertama yang berkomitmen pada hasil validasi (baik pesan yang membuktikan keabsahan potongan, atau bukti ketidakabsahan transisi keadaan), tunggu selama jangka waktu tertentu, baru kemudian tampilkan hasil validasi sebenarnya, seperti ditunjukkan pada gambar 25. Periode penerapan tidak bersinggungan dengan periode pengungkapan, dan dengan demikian validator yang malas tidak dapat meniru validator yang jujur. Terlebih lagi, jika validator yang tidak jujur berkomitmen pada pesan yang membuktikan hal tersebut validitas potongan yang ditetapkan, dan setidaknya satu potongan tidak valid, jika memang demikian ditunjukkan bahwa potongan tersebut tidak valid, validator tidak dapat menghindari pemotongan, karena, seperti yang kami tunjukkan di bagian 3.7.5, satu-satunya cara agar tidak terpotong dalam situasi seperti ini adalah menyajikan pesan yang berisi bukti transisi keadaan yang tidak valid itu cocok dengan komit. 3.7.5 Menangani tantangan Seperti dibahas di atas, setelah validator menerima blok dengan potongan yang tidak valid, mereka terlebih dahulu menyiapkan bukti transisi keadaan yang tidak sah (lihat bagian 3.7.1), kemudian berkomitmen pada bukti tersebut (lihat 3.7.4), dan setelah beberapa waktu ungkapkan tantangannya. Setelah tantangan yang terungkap dimasukkan ke dalam blok, hal berikut akan terjadi: 1. Semua transisi keadaan yang terjadi dari blok yang berisi potongan tidak valid sampai blok di mana tantangan yang terungkap disertakan, dapatkan dibatalkan. Keadaan sebelum blok yang mencakup tantangan yang terungkap dianggap sama dengan keadaan sebelum blok yang memuatnya potongan yang tidak valid. 2. Dalam jangka waktu tertentu setiap validator harus menampilkan bitmasknya pecahan yang mereka validasi. Karena bitmask dibuat melalui VRF, jika mereka ditugaskan ke pecahan yang memiliki transisi status tidak valid, mereka tidak bisa menghindari pengungkapannya. Setiap validator yang gagal menampilkan bitmask diasumsikan ditugaskan ke beling. 3. Setiap validator yang setelah periode tersebut ditemukan ditugaskan ke pecahan, yang melakukan komit pada beberapa hasil validasi untuk blok yang berisi potongan yang tidak valid dan itu tidak mengungkapkan bukti transisi keadaan yang tidak valid yang sesuai dengan komit mereka dipotong. 4. Setiap validator mendapat tugas pecahan baru, dan periode baru dijadwalkan untuk memulai setelah beberapa waktu yang cukup bagi semua validator untuk mengunduh keadaan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 26. Perhatikan bahwa sejak validator mengungkapkan pecahan yang ditugaskan padanya hingga zaman baru dimulai, keamanan sistem berkurang sejak tugas pecahan terungkap. Para peserta jaringan perlu menjaganya diingat saat menggunakan jaringan selama periode tersebut. 3.8 Agregasi Tanda Tangan Agar sistem dengan ratusan pecahan dapat beroperasi dengan aman, kami ingin memilikinya pesanan 10.000 atau lebih validators. Seperti yang dibahas di bagian 3.7, kita menginginkan masing-masingGambar 26: Menangani tantangan validator untuk mempublikasikan rata-rata komit pada pesan dan tanda tangan tertentu sekali per blok. Meskipun pesan komitnya sama, menggabungkan a Menandatangani BLS dan memvalidasinya akan sangat mahal. Tapi tentu saja pesan komit dan pengungkapan tidak sama di validators, dan oleh karena itu kita memerlukan cara untuk menggabungkan pesan-pesan dan tanda tangan tersebut di a cara yang memungkinkan validasi cepat nanti. Pendekatan spesifik yang kami gunakan adalah sebagai berikut: Validator bergabung dengan produsen blok. Produsen blok sudah dikenal beberapa saat sebelum zaman dimulai, karena mereka memerlukan waktu untuk mengunduhnya menyatakan sebelum epoch dimulai, dan tidak seperti validators, produsen bloknya tidak disembunyikan. Setiap produser blok memiliki v validator slot. Validator mengirimkan proposal off-chain kepada produsen blok untuk dimasukkan sebagai salah satu dari v validatordtk. Jika produsen blok ingin memasukkan validator, mereka mengirimkan a transaksi yang berisi permintaan off-chain awal dari validator, dan tanda tangan produser blok yang membuat validator bergabung dengan produser blok. Perhatikan bahwa validator yang ditugaskan ke produsen blok belum tentu memvalidasi pecahan yang sama dengan yang dihasilkan oleh produsen blok. Jika sebuah validator diterapkan untuk bergabung dengan beberapa produsen blok, hanya transaksi dari produsen blok pertama akan berhasil. Produsen blok mengumpulkan komitmen. Produser blok terus-menerus mengumpulkan komit dan mengungkapkan pesan dari validators. Setelah sejumlah pesan tersebut terakumulasi, produsen blok menghitung merekle pohon pesan-pesan ini, dan mengirimkan ke setiap validator root merkle dan jalur merkle ke pesan mereka. validator memvalidasi jalur dan tanda masuk akar merkle. Produser blok kemudian mengumpulkan tanda tangan BLS di root merkle dari validators, dan hanya menerbitkan root merkle dan akumulasi tanda tangan. Produsen blok juga menandatangani keabsahan multisignature menggunakan tanda tangan ECDSA yang murah. Jika multisignature tidak cocok dengan root merkle yang dikirimkan atau bitmask dari validator yang berpartisipasi, ini merupakan perilaku yang dapat disayat. Saat menyinkronkan rantai, seorang peserta dapat memilih untuk memvalidasi semua tanda tangan BLS dari validator (yang sangat mahal karena melibatkan pengumpulan kunci publik validator), atau hanyatanda tangan ECDMA dari produsen blok dan mengandalkan fakta bahwa produsen blok tidak ditantang dan dipangkas. Menggunakan transaksi on-chain dan bukti merkle untuk tantangan. Itu dapat dicatat bahwa tidak ada gunanya mengungkapkan pesan dari validators jika tidak transisi keadaan yang tidak valid terdeteksi. Hanya pesan-pesan yang berisi hal yang sebenarnya bukti transisi negara yang tidak valid perlu diungkapkan, dan hanya untuk pesan-pesan seperti itu perlu ditunjukkan bahwa mereka cocok dengan komitmen sebelumnya. Pesannya perlu diungkapkan untuk dua tujuan: 1. Untuk benar-benar memulai rollback rantai ke momen sebelum transisi keadaan tidak valid (lihat bagian 3.7.5). 2. Untuk membuktikan bahwa validator tidak berusaha membuktikan keabsahan potongan tidak valid. Apa pun kasusnya, kita perlu mengatasi dua masalah: 1. Komit sebenarnya tidak disertakan pada rantai, hanya akar merkle saja komit dikumpulkan dengan pesan lain. validator perlu menggunakan jalur merkle yang disediakan oleh produsen blok dan komitmen awal mereka membuktikan bahwa mereka berkomitmen terhadap tantangan tersebut. 2. Ada kemungkinan bahwa semua validator yang ditugaskan ke beling dengan yang tidak valid transisi negara kebetulan ditugaskan ke produsen blok yang korup itu sedang menyensor mereka. Untuk menyiasatinya, kami mengizinkan mereka mengirimkan pengungkapannya sebagai transaksi reguler on-chain dan melewati agregasi. Yang terakhir ini hanya diperbolehkan untuk bukti transisi negara yang tidak sah, yaitu sangat jarang terjadi, sehingga tidak akan mengakibatkan pemblokiran spam. Masalah terakhir yang perlu diatasi adalah bahwa produsen blok dapat melakukan hal tersebut memilih untuk tidak berpartisipasi dalam pengumpulan pesan atau dengan sengaja menyensor validators tertentu. Kita buat yang tidak menguntungkan secara ekonomi, dengan membuat blok imbalan produser sebanding dengan jumlah validator yang ditugaskan kepada mereka. Kami juga mencatat bahwa karena produsen blok antar zaman sebagian besar berpotongan (sejak selalu menjadi peserta teratas dengan taruhan tertinggi), validator bisa sebagian besar tetap bekerja sama dengan produsen blok yang sama, dan dengan demikian mengurangi risiko ditugaskan ke produser blok yang pernah menyensornya di masa lalu. 3.9 Rantai Snapshot Karena blok pada rantai utama sangat sering diproduksi, pengunduhan sejarah lengkap mungkin menjadi mahal dengan sangat cepat. Apalagi sejak setiap blok berisi tanda tangan BLS dari sejumlah besar peserta, hanya agregasi kunci publik untuk memeriksa tanda tangan mungkin menjadi penghalang mahal juga. Terakhir, karena di masa mendatang Ethereum 1.0 kemungkinan besar akan tetap menjadi satu dari blockchain yang paling banyak digunakan, memiliki cara yang berarti untuk mentransfer aset
Mendekati Ethereum adalah persyaratan, dan hari ini memverifikasi tanda tangan BLS untuk memastikannya Validitas blok dekat pada sisi Ethereum tidak dimungkinkan. Setiap blok di rantai utama Nightshade secara opsional dapat berisi Schnorr multisignature pada header blok terakhir yang menyertakan Schnorr tersebut multitanda tangan. Kami menyebut blok tersebut sebagai blok snapshot. Blok pertama dari setiap zaman harus berupa blok snapshot. Saat mengerjakan multisignature seperti itu, produsen blok juga harus mengumpulkan tanda tangan BLS dari validators pada blok snapshot terakhir, dan menggabungkannya dengan cara yang sama seperti yang dijelaskan dalam bagian 3.8. Karena kumpulan produsen blok konstan sepanjang zaman, maka validasi hanya blok snapshot pertama di setiap epoch yang cukup dengan asumsi bahwa pada no menunjukkan sebagian besar produsen blok dan validator berkolusi dan berkreasi sebuah garpu. Blok pertama dari zaman tersebut harus berisi informasi yang cukup untuk dihitung produsen blok dan validators untuk zaman tersebut. Kami menyebut subrantai dari rantai utama yang hanya berisi snapshot memblokir rantai snapshot. Membuat multisignature Schnorr adalah proses interaktif, tapi sejak kami hanya perlu melakukannya secara jarang, proses apa pun, tidak peduli seberapa tidak efisiennya akan cukup. Multisignature Schnorr dapat dengan mudah divalidasi di Ethereum, sehingga memberikan primitif penting untuk cara yang aman dalam melakukan cross-blockchain komunikasi. Untuk menyinkronkan dengan rantai Dekat, seseorang hanya perlu mengunduh semua snapshot memblokir dan mengonfirmasi bahwa tanda tangan Schnorr sudah benar (opsional juga memverifikasi masing-masing tanda tangan BLS dari validators), dan kemudian hanya menyinkronkan blok rantai utama dari blok snapshot terakhir.
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.
Kesimpulan
Dalam dokumen ini kita membahas pendekatan untuk membangun blockchains dan mencakup dua tantangan besar dengan pendekatan yang ada, yaitu validitas negara dan ketersediaan data. Kami kemudian menghadirkan Nightshade, desain sharding itu kekuasaan NEAR Protokol. Desain sedang dalam proses, jika Anda memiliki komentar, pertanyaan, atau masukan pada dokumen ini, silakan buka https://near.chat.