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【干货 清华公开课】 OK区块链工程院:OK公链怎么样才能解决区块链规模应用难题?

  OK区块链工程院在清华X-lab区块链公开课上,介绍了OK公链(OKChain)的创新架构设计和实现其高性能的解决方案。

  当前,比特币以太坊等为代表的传统公链,每笔交易都需要全网验证和存储,可扩展性受到很大的限制,导致目前的区块链底层平台上很难支撑大规模的应用。

  而OK公链的设计理念就是在保障安全性和去中心化的提前下,提升区块链的可扩展性。设计上OKChain采用多链状态分片方案和基于BLS多签方案的改进版PBFT快速共识算法大幅度的提高可扩展性和交易处理能力。

  此外,OK区块链工程院技术负责人Shine JIANG还表示,我们要抛开“浮躁”的讨论(比如颠覆互联网、下一代技术革命等等),从技术层面出发,研究一下区块链有哪些技术的特点,为何会受到这样的关注,它目前的一些制约点是什么,以及现今在技术探讨研究上都有哪些进展。

  区块链1.0时代是以比特币为代表,2008年这个概念被首次提出,2009年真正开始启动了比特币的网络。这个网络有别于普通意义上互联网,因为它在互联网上面实现了价值的转移。

  之前互联网经历几十年发展,主要解决的问题是信息的互联互通,我们在使用互联网服务的同时,后面是一个个的服务商,一个个中心化的节点。

  在区块链网络里,它有这样几个特点:一是去中心化、二是不可篡改、三是可信任。它用到了计算机科学、密码学、网络和经济学的博弈论等等,同时加了一些创新性的设计。

  区块链的2.0是以以太坊为代表,主要特征是加入智能合约。智能合约是1995年提出的概念。

  受限于当时的环境,计算机依赖于可信的第三方,加上数据的不可篡改,操作涉及到多方会有一些限制。区块链的诞生,带来了天然的运行基础平台,区块链技术在以太坊进行结合,同时扩大了场景。

  溯源、经济领域、游戏等很多应用,都可以在以太坊为代表的区块链2.0上去做一些工作。

  到了区块链3.0时代,是区块链的大规模应用。尽管区块链技术发展了近十年,但真正走到我们身边的应用很少,可以说几乎是寥寥无几。

  目前很多的应用,是基于联盟链的企业级应用,像天猫跨境物流的跟踪、跨境的支付,还有像我们前面公布的疫苗溯源方案。

  为什么发展了那么久,炒的也很热,但区块链在应用上还没有深入到用户的身边去?我们大家都认为主要是它的可扩展性受到很大的限制,这也是目前绝大多数公链所努力攻破的一个点。

  区块链的可扩展性到底有哪一些问题呢?比如去年年底风靡全球的一个游戏“加密猫”,直接引发了以太坊的严重堵塞。缘由是以太坊从它的设计上,不能支撑大规模的交易,导致了它在打包、入块的流程上受到了阻碍。

  而传统中心化的交易平台,比如Visa和支付宝,Visa的解决能力是2.4万的TPS,支付宝“双十一”峰值32.5万TPS的峰值,和比特币和以太坊最大理论的峰值(比特币是7,以太坊是15)相比有天壤之别。

  什么原因让它的性能这么低下呢?区块链里有“三元悖论”,这是以太坊提出的概念,意思是说区块链领域不可能在同一时间、同一层面从去中心化、安全性和可扩展性三个方面做到提升。

  2008年比特币设计的时候,主要解决是资产的价值转移,而在资产里面很重要的一个特点是要安全性。比如说要理财、投资,肯定考虑资金的安全性,这是首要的。

  在安全上的基础上,我们才可以考虑的是它的收益,如果你的本金都没了,其实你投资的价值也就很少。

  像比特币和以太坊,为提升去中心化和安全性,设计的时候每一个节点、每一笔交易都需要全网去广播,全网节点去做验证,每一个块同样是需要全网去同时争取这样一个记账的过程。

  当然,从这两个点上就失去了它的可扩展性,全网的性能制约点就等于取决于每个节点单点性。加入的节点越多,性能不仅没有正真获得提升,消息的扩大、通信的复杂度反而更高,让它的可扩展性受到了极大的限制。

  比如EOS比较“聪明”,牺牲了去中心化,用了21个超级节点的概念,但前提认为这21个超级节点是可信的。共识基于21个超级节点之间去达成,虽然提供可扩展性,性能也得到比较大的提升,但是牺牲了去中心化区块链本质的特点。

  另外有一些区块链公链,为提升去中心化和可扩展,只用了一些分散的存储计算,从全网里面选出一小部分节点来做共识,选出一小部分节点,不同的节点之间存储的账本不一样,这就让去中心化和扩展性有一定的提升。但是这样的话就会让它的安全性降低,攻击的难度也降低。

  目前在区块链的扩容方案里,可扩展性有四种方法:DAG、二层扩容、共识创新和分片技术。

  DAG也叫有向无环图,是计算机领域里一个较为重要的数据结构。意思是从一个节点出发,沿着箭头的方向,不管从哪个路径走都不会回到这个节点本身。

  我们看到在传统区块链,比如比特币和以太坊里面,存储方面是一条主链的结构,按照时间顺序由一个个的区块组成,当一个区块入块了,剩下所有的节点去竞选下一个区块的记账权,从而来获取记账的分红。

  我们可以认为,这是一个同步的过程,一是全网同步的去出同一个区块,另外对每一笔交易全网都要去做验证,并且每个节点存储区块链的信息,带来的优点是保证了严格的一致性。

  而DAG里面它改变了这样一个存储结构,它认为区块链里面比特币、以太坊等,每一个块包含了多笔交易,并且基于时间顺序来做的。

  在DAG这个网络里面,每一个这样的节点只是一笔交易,不是一个块的概念。后面的一笔交易通过一定的策略,会连到前面的多笔交易上面去,并且会对前面这样一个交易做一个验证。

  这样做的好处,就是它把这样一个原来同步的存储改成了异步,理论上来说是支持无限的扩展。TPS也可以无限的大,但是它有一个问题,就是如果有一个节点,后面没有人链接到他,相当于没有人验证他这一笔交易的有效性,就永远得不到确认。

  另外由于没用强一致性,尤其是智能合约运行的时候,它运行一段时间有一定的概率会导致出现“双花”、不一致的现象,安全性并没有正真获得广泛的验证。在这种存储结构里,由于比特币和以太坊都是这种存储结构,运行了十年,也没出现一些明显的异常问题,它的安全性经过了实际工程的检验。

  另外在DAG里,每一笔交易之间的溯源,因为它的图复杂度极高,和区块链里单链的结构来比,它的复杂度极高。

  其中的逻辑是把链分成两种,原来的链还是比特币、以太坊的主链,但另外又生成了侧链,将复杂的交易和频繁的交易放到链下,最终的确认放到主链上去做,这样做的优点是减少了主链的压力。

  但最后总体的性能瓶颈很明显还是主链,最高像以太坊来说也就是15,对性能的提升很有限。

  Algorand是图灵奖获得者Micali提出公链的设计的具体方案,他认为这个方案突破了“不可能三角”,共识算法采用了VRF+POS+BA*的算法。

  它的设计的思路是,比特币和以太坊里每一笔交易要全网广播、全网做验证,这里只是随机选出来一小部分节点,让一小部分节点去做出块的提名人、验证人和出块节点。

  共识的范围降到了几个节点之间,用一些算法保证节点选取的随机性,得到了一定的安全保证,所以说加快了交易的吞吐量。但是这个方案目前并不完善,可扩展性也是有限的,它的理论值是2000,但最终的理论值是200,实测会到1000左右。

  Dfinity是另外一个从共识方法上去改进区块链可扩展性的一条公链,一度被认为是区块链的3.0。它的思路和Algorand有点相似,也是将整个网络选举出一小块的局域的几个节点,在这个节点之间再选出共识的委员会,在这个委员会用了BLS多签的方法出块。

  一定程度上来说,两个方面,一是共识组由全网变成局部的网络,第二是在共识的方法上做了创新,用了BLS多签的方案,也是提升了交易量。

  和前面两个共识相比,随机选取一小个节点来说,就更近了一步。在比特币、以太坊里性能取决于单点的性能,加入的节点越多,网络没有更好,反而更坏。

  是不是存在这样一种方案让它可以并行?比如说把它切分到一块,这就有了分片技术。分片是数据库里面的概念,提供数据库横向扩展的方法,通过将数据库切分到不同的数据库上,来提升服务器对数据库访问IO的可扩展性。

  把分片用在区块链里面,通过一定的机制和方法,将整个区块链网络分成若干的共识组,每个共识组交易量之和,就是整个这条链的整体吞吐量。

  这个地方设计了几个重点,第一是怎么样做共识组的选举?选出来的共识组,如果里面有大量的拜占庭节点(能够理解为坏的节点),相当于在这个节点组里安全性受到极大的挑战。

  另外,就是分片的大小是不是合理。如果分片太小了,几个拜占庭节点有可能影响分片的安全性。如果分片太大,影响片内的交易太多,也会影响一定的吞吐量。当然,分片太小还有一个问题,就是跨片的交易会多,跨片的交易还不如原来的一个网络。

  交易分片是在网络分片的基础上去实现,通过将整体网络分成若干分片,每个分片并行进行交易,但是全网所存储的还是一个账本。

  每个节点的存储压力依然是存在,状态分片的优点是每个分片只存储本分片的部分账本,这样的话从交易和存储两方面去提升它的扩展性。随着分片的越多,整体网络性能也就越大。这也是OK公链选择的方式,也是我们最终选择分片的原因之一。

  这是我们的设计目标,我们在“不可能三角”这个理论下做的一些工作。保证一定的去中心化和一定安全的前提下,去提升公链的可扩展性。其实在比特币和以太坊里面,也尝试过有很多其他的方法,比如说是增加区块的大小,一个区块是不是能打包更多的交易,第二个是缩短区块的出块时间,时间缩短。但是这些方案一是有一定问题,二是对性能的提升也极其有限。

  关于OK公链的技术选型,我们最终选择了这样的分片技术,理由有二:其一,它能够从存储和交易两个方面去提升区块链的可扩展性;其二,它的理论模型并不复杂,在可推导的理论模型里面,我们能证明它是能满足一定的去中心化和安全性,并且还能够对可扩展性做一定的提升。

  它的难点我们在前文已经介绍了,而且其在工程上也是很复杂,目前在整个业界里还没有一个公开出来的分片技术。

  我们可以从网络分片、交易分片、状态分片、片内共识、分片伸缩等五个方面来具体解释和了解。

  在P2P网络里我们分成了若干的共识组,在每个共识组里再去运行一定的共识机制。这些共识组内有一个Leader节点。

  我们再把这些共识组分成两类:一是委员会、二是普通分片,也可以称之为交易分片。

  委员会扮演两个作用:一是对整个网络来管理;二是管理自身委员会内部的成员。而所有委员会的内部成员,可大致分为三种:委员会的成员、分片的矿工、普通矿工。

  逻辑上很复杂的是,究竟如何选举委员会、怎么样做分片,来保证整个公链的安全性,同时实现片内的交易更多,跨片的交易更少?

  我们定义为一个epoch(在下面有两个管理区块,两次委员会的轮替之间的间隔)一个epoch结束时,各分片统计本分片内合乎条件的账户作为侯选矿工,上报给委员会。

  这是为避免女巫攻击,个人会使用了PoS股权证明的方法,每一个参与挖矿的矿工,必须交一定的保证金,这样想注册大量矿工节点去执行拜占庭攻击的时候,成本会有一定的提升,这也是我们对安全性的第一步保证。

  其次分别是开始和POW阶段,委员会收集到矿工的集合,然后广播竞选的消息,各个矿工开始计算自己的PoW,并将计算结果提交给委员会,此处计算PoW不是为了挖矿,只是为了算随机值,作为分片和选举的依据。

  最后是确定阶段,委员会搜集到PoW的消息,按照哈希值的排序选出新的委员会节点和分片节点(哈希值最小的节点是委员会的节点),并且将竞选结果写入管理区块,这个管理区块是在委员会里面进行共识,全网广播,同时宣布新一轮的epoch开始。

  这里我们应该着重强调的有几个地方。第一,我们用了PoS来女巫攻击;第二,PoW不是进行挖矿,只是计算随机值,对资源的消耗也比较少一些。

  进行网络分片只是第一步,只有实现了交易分片,才能使各个分片能并行处理,减少冗余计算和增加总系统的吞吐性。

  在交易分片里面会涉及到两方,一个是发送方,一个是接收方。我们采用的方法就是以发送方的地址进行分片,这样的优点是发送方进行双发消息的时候,交易在同一个区块里进行打包共识,非常容易被发现,某些特定的程度上是让双花攻击的难度变大。

  同时,我们允许一个用户用一对公钥在每一个分片里面创建账户(可以简单理解为一个用户用一个公钥可以在每一个分片里面建账户,文章后面我们会介绍它的好处)。

  状态分片里面的设计思路,是让片内的交易逐步增多,让跨片的交易逐步减少,而并不是排斥这种跨片的交易。一个跨片交易所执行的步骤,就是分片a和分片b,分片a里的用户a和分片b里的用户b进行交易,有两个步骤减少a的余额和增加b的余额。

  现在,我们提出了一个支票的概念,就是分片a里出块以后,通过一个“支票”发给分片b处理,分片a在出块以后通过一个区块,会发出支票的消息。

  在这个里面有三个分片,分片a、分片b和分片c,其中有三个是跨分片交易。为减少通信复杂度,在区块里面,每个分片相关的交易会打包成一个支票区块。

  将多笔支票打包成一个支票的区块,发给分片a和分片b,分片b里面两笔支票打包成一个支票区块,发给分片b,c里面有一笔,这样的话总系统在跨分片交易的时候,通信复杂度是O(n)方,在跨分片交易足够少,因为分片也不会特别大,这是一个很容易实现的方案。

  另外,我们在存储上面使用了双链的结构,每个分片内存储两条链,一个是状态区块,一个是交易区块,交易区块是只存储本分片的交易,而状态区块它是由交易区块和支票区块派生而来的。

  第一个阶段,假设a和b之间转账,这里有一个分片派生出来三个“支票”区块,分别是C12和C13、C21和C23,C31和C32,六个跨分片的支票区块和三个交易区块;

  第二个阶段,通过广播将支票区块发送到对应的分片里去,对应的分片接收支票区块,通过交易区块和支票区块生成最终的状态区块。

  另外,分片里面智能合约和以太坊里面的智能合约有不一样的地方,就是它有跨分片的智能合约调用。

  如何理解跨分片的智能合约调用?首先,调用分片2里面的交易区块,锁定账户余额,发送调用信息到分片b,分片b调用相应的合约,修改合约的状态,收取交易的gas费用,将剩余的gas费用返回给分片1,涉及到三次更新和两次的跨分片交易。

  为了减少跨分片调用,我们在设计的时候,只支持分片内的调用,而不支持跨分片的调用。原因是相互关联、相互调用的合约不会部署在同一个分片上,这对于开发者来说是是合理的,也是容易做到的。

  另外用户都能够在任意分片里创建自己的账户。比如说分片1里的用户,要想调用分片2里合约的线里面去建账户,把跨分片变成了一个片内智能合约的调用交易。这从某些特定的程度上我们大家都希望把相关的业务都放在一个分片里,这样相关性越高,片内交易也就越高,并发性也就越好。相当于我们支持了一个片内的合约调用:用户到合约、合约到合约、合约到用户。

  还有一个方法是在分片2里建一个用户,我们大家可以用跨分片的交易来做到。首先分片1里面的用户,调用分片2里的合约,给分片2里面的用户做一笔转账交易,然后分片2里面的用户再调用这个合约,这就是跨分片之间智能合约的调用的流程。

  分片技术有一个有必要注意一下的点,每个分片里节点数是固定的,较为方便用其他的共识算法。缺点是它存在51%的算力的攻击,因为它是一个开放的网络,谁都可以动态接入、动态退出,而分片里面每一个分片的用户数是一定的,较为方便用其他的共识算法,比如PBFT算法的好处,第一它能抵三分之一的拜占庭节点,它的网络依然能保证安全运行。

  我们进一步改善了PBFT。首先,Leader打包一个区块(我们前面介绍的分片里面都有一个Leader的角色,PBFT共识里面需要有一个Leader,他是负责发起共识的一个发起方。),广播给其他节点,每个节点去验证这个区块,验证通过的其他节点再广播这个区块摘要。

  如果一个节点收到2f+1(f是容忍的拜占庭节点的个数)个其它节点发来的摘要都和自己相等,就向全网广播一条Commit消息,即可提交新区块及其交易到本地的区块链的状态数据库。在这里,我们大家可以告诉他们通信的复杂度,假设节点数是n的话,这个复杂度就是O(n²)方。

  另外,我们用了BLS的签名,有两个特点。一是聚合、一是短签名,可以将多笔交易聚合成一个签名,这样把消息通信的复杂度和存储签名的大小做到了降低,而且不要进一步通信就能生成一个多重签名,减少通信的次数。

  我们改进了PBFT的算法,这里的逻辑首先同样是Leader打包区块,广播给其他的节点,每个节点来验证这个区块,验证通过区块签名发送给Leader。

  leader收集到2f+1个签名之后,可以聚合成一个多重签名sig1,leader将sig1和sig1参与方bitmap1广播给其他节点,其他节点对sig1和bitmap1的合法性进行验证。

  为了确保全网账本一致,还需对block+sig1+bitmap1进行一轮多签;leader收集到2f+1个签名之后,可以聚合成一个多重签名sig2。leader将sig1,sig2和对应的bitmap2发送给其他节点,其他节点验证通过后将block+sig1+bitmap1写入账本,通过改进PBFT的算法,将消息的复杂度从O(n²)方变成了O(n)。

  还有一个就是Leader的轮替,如果Leader是拜占庭节点的话,会阻碍区块的产生,常用方案第一个是Round-Robin顺序选取的方法,一个是VRF生成随机生成区块。

  在分片里比较难的就是分片伸缩,这里有两个操作:一是新增分片,一是冻结分片。

  新增分片的时候,各个分片会出现负载过重的情况,网络中有足够多的矿工可以安全性的去维护这个分片,达到一个新分片所安全运作的理论值,这样一个时间段我们通过线上的委员会的监控和线下社区的投票,由委员会修改参数,来增加这分片。

  冻结分片是在状态分片里比较难做的,相当于在每个状态分片里,每个分片存储的局部账本,如果一个分片砍掉的话,这个分片里的账本有可能失效。

  在这种情况下,每个分片的节点少,不满足安全性的时候,也是通过委员会和社区共识之后,该分片迁移到其他分片。这个分片里面的账本由委员会来维护。下一次新建的时候再有委员会交给分片,这从某些特定的程度上保证了全局账本的一致性。

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