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跨分片合約難點(diǎn)

跨分片合約的難點(diǎn)在于：一個(gè)分片對(duì)于共同訪問(wèn)的狀態(tài)的修改，需要及時(shí)地讓另一個(gè)分片知道，否則就容易出現(xiàn)狀態(tài)錯(cuò)亂。任何支持合約的分片技術(shù)，都必須要解決這個(gè)問(wèn)題。目前業(yè)界大致有以下幾種方案：

第一種方案：讓發(fā)出交易的客戶端主動(dòng)維護(hù)一致性，典型的就是Omniledger。客戶端負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)這個(gè)過(guò)程，避免分片之間的協(xié)議通信。優(yōu)點(diǎn)是分片協(xié)議不用考慮維護(hù)一致性的問(wèn)題，技術(shù)簡(jiǎn)單，且避免了分片之間一致性協(xié)議的開銷。缺點(diǎn)顯而易見，沒(méi)法做到交易丟出去不管，客戶端在這個(gè)過(guò)程中必須保持運(yùn)行。另外，客戶端去做這個(gè)事，真的安全么？實(shí)際上這個(gè)方案很難為業(yè)界所接受。我更傾向于認(rèn)為，由于分片機(jī)制不完善，解決不了狀態(tài)一致性而強(qiáng)行打的補(bǔ)丁。

第二種方案：基于trace對(duì)交易進(jìn)行標(biāo)注，典型的就是Chainspace。交易注入到網(wǎng)絡(luò)中之前，先模擬trace，并以此標(biāo)注出可能與其他交易沖突的地方，然后再根據(jù)這些沖突發(fā)到相關(guān)的分片中處理，相關(guān)的分片之間再用S-BAC去共識(shí)。這種方法，我想應(yīng)該還是不能完全依照trace，還必須在代碼層面進(jìn)行標(biāo)注，否則一個(gè)if/else語(yǔ)句在trace環(huán)境和實(shí)際環(huán)境下就可能走向了截然不同的分支。另外每一個(gè)交易可能的沖突都要相關(guān)的分片之間去跑一輪共識(shí)，一個(gè)分片如果牽涉到很多個(gè)這樣的交易，那每一次就要跟不同的分片跑很多個(gè)這樣的共識(shí)。

第三種方案：交易分裂，典型的就是Ethereum。首先要說(shuō)明的是，這種方式交易只能類似于幣的轉(zhuǎn)移這種，從一個(gè)分片中的地址，轉(zhuǎn)移到另一個(gè)分片中的地址。合約內(nèi)部狀態(tài)是不能共享的，必須要保證每個(gè)分片的狀態(tài)是私有的。具體的做法就是將這個(gè)幣的轉(zhuǎn)移過(guò)程切開，分成幣的發(fā)送 幣的接受，并且在不同的共識(shí)周期中完成。具體在Ethereum中的話，在一個(gè)共識(shí)周期中，分片中的地址發(fā)送幣，并在主鏈中產(chǎn)生一個(gè)收據(jù)，然后在下一個(gè)共識(shí)周期中，另一個(gè)分片中的地址依據(jù)這個(gè)收據(jù)接受幣。看起來(lái)簡(jiǎn)單，然而并非如此，可以用火車和旅館問(wèn)題來(lái)比喻。你要去另一個(gè)城市玩，要定火車票，還要定旅館。倘若你定了火車票，但是旅館沒(méi)訂到，那就麻煩了；倘若你旅館訂到了，但是火車票沒(méi)訂到，你也麻煩了。要么都訂到，要么都沒(méi)訂到，那才是良好的狀態(tài)。問(wèn)題產(chǎn)生的原因就是交易分裂到多個(gè)共識(shí)周期，破壞了原子性。Ethereum目前在這一塊還處于初步的理論研究階段，計(jì)劃在分片的第四期中實(shí)現(xiàn)。

曌鏈MIT跨分片合約

具體做法就是，將跨分片的交易在他們的父級(jí)分片中處理。以曌鏈MIT的多級(jí)名字空間機(jī)制作為基礎(chǔ)，這種解決方式是直觀顯而易見的，而別的區(qū)塊鏈項(xiàng)目因?yàn)闆](méi)有多級(jí)名字空間這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施，無(wú)法應(yīng)用該方案。這種方案實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，可以支持的交易比較靈活，適應(yīng)面廣，并且只需要一個(gè)共識(shí)周期就可以確認(rèn)。但是，這種方案一個(gè)明顯的缺點(diǎn)就是，父級(jí)分片存在處理壓力的匯聚問(wèn)題，越是上級(jí)的分片對(duì)吞吐率的要求越高。曌鏈MIT的解決方案是鼓勵(lì)交易盡量在低層分片解決。一方面，多級(jí)分片結(jié)構(gòu)具有過(guò)濾作用，需要處理的分片比例隨著分片層級(jí)的升高而越來(lái)越低。需要說(shuō)明的是：名字空間非常有利于數(shù)據(jù)的局部性，類似于CPU的緩存；而Ethereum那種按照地址前綴分配分片的做法，數(shù)據(jù)完全是隨機(jī)的，沒(méi)有局部性。另一方面，越上級(jí)的名字空間處理費(fèi)用越高，通過(guò)經(jīng)濟(jì)激勵(lì)手段讓合約只在必要的時(shí)候才跨分片，只在非常必要的時(shí)候才跨高層次的分片。

圖1：曌鏈MIT跨片示意圖

跨分片消息傳遞

每個(gè)實(shí)體都有一個(gè)URN，結(jié)構(gòu)是 : <protocol_id>:<shard_path>/<public_key_fingerprint>.

每個(gè)實(shí)習(xí)都有一個(gè)通過(guò)公鑰來(lái)識(shí)別身份的郵箱. RChain分片是通過(guò)channel實(shí)現(xiàn)的.

每個(gè)分片都運(yùn)行著一個(gè)Mailman合約來(lái)路由消息.

每條消息都包含這三個(gè)字段: destination, signature & payload

描述

同一個(gè)分片的消息傳遞

Mailman從消息中提取到destination，然后發(fā)送到目標(biāo)郵箱

準(zhǔn)備跨分片消息

在消息發(fā)送到其他分片前要經(jīng)過(guò)共識(shí)，發(fā)送消息的意圖將存儲(chǔ)在塊鏈中，并且只有在塊完成后才發(fā)送。

圖2：曌鏈MIT跨片消息傳遞

子分片到父分片交易

向父分片發(fā)送消息的總結(jié)如下：

1、就發(fā)送消息到父分片的決定達(dá)成共識(shí)；

2、validators簽名然后把消息發(fā)送給父分片；

3、消息需要至少k個(gè)validators的簽名；

4、獲得k個(gè)簽名之后，消息存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中；

5、共識(shí)達(dá)成之后，進(jìn)行下一步；

圖3：向父分片發(fā)送消息流程圖

父分片向子分片交易

傳輸過(guò)程如下:

1、就發(fā)送消息的決定達(dá)成共識(shí)；

2、子分片的validators作為父分片的客戶端，收到了這條消息；

3、子分片的validators在子分片的區(qū)塊鏈上存儲(chǔ)這條消息；

4、共識(shí)達(dá)成之后進(jìn)行下一步動(dòng)作；

圖4：向子分片發(fā)送消息流程圖

散列鎖托管轉(zhuǎn)移（Hash-locked escrow transfer）

愛麗絲和鮑勃要通過(guò)代幣P來(lái)交易貨物，他們需要以下的一個(gè)交易機(jī)制來(lái)保證：

1、愛麗絲擁有代幣P有效

2、在交易過(guò)程當(dāng)中，代幣P在愛麗絲的賬戶金額當(dāng)中鎖定，并且不能被其他交易使用

3、當(dāng)?shù)玫搅薑次確認(rèn)之后，交易執(zhí)行成功

4、交易被取消的話，如果時(shí)間少于T，則代幣會(huì)歸還到愛麗絲的賬戶當(dāng)中

圖5：散列鎖托管轉(zhuǎn)移流程圖

相關(guān)名詞解釋

Shard  - 有自己的一組驗(yàn)證人的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)群；

Shard tree - 分片的結(jié)構(gòu)；

Neighbour shards - 相鄰的分片；

Mailman - 發(fā)送消息給別的分片的智能合約；

Mailbox - 存儲(chǔ)消息. 也是分片的客戶端；

Address - 多分片的環(huán)境里的實(shí)體的唯一標(biāo)識(shí). 包括分片id和公鑰；

Mint - 在分片當(dāng)中創(chuàng)建和銷毀Token的智能合約；

Depository - 存儲(chǔ)子分片當(dāng)中的Token余額的智能合約；