如何通過分片實現(xiàn)區(qū)塊鏈的擴(kuò)展

阿姆達(dá)爾定律與分片有什么關(guān)系？

Amdahl加速定律的基本出發(fā)點是：1.對于很多科學(xué)計算，實時性要求很高，即在此類應(yīng)用中時間是個關(guān)鍵因素，而計算負(fù)載是固定不變的。為此在一定的計算負(fù)載下，為達(dá)到實時性可利用增加處理器數(shù)來提高計算速度；2.因為固定的計算負(fù)載是可分布在多個處理器上的，這樣增加了處理器就加快了執(zhí)行速度，從而達(dá)到了加速的目的。在此意義下，1967年Amdahl推導(dǎo)出了固定負(fù)載的加速公式。

對于如何通過分片實現(xiàn)區(qū)塊鏈擴(kuò)展進(jìn)行了大量的研究。

據(jù)我所知，目前主要概念是在不同的分片上啟用多個事務(wù)并行執(zhí)行，而不會影響區(qū)塊鏈的不可變性和安全性，包括所有分片。我能夠找到的大部分研究都集中在用于分片共識的算法上。 雖然所有這些研究看起來都很有希望，但我想從不同的角度來看待分片。

為了論證，我們假設(shè)存在一個用于分片的一致性算法。 此外，假設(shè)該算法在開放的無權(quán)限的區(qū)塊鏈上運行，并且正?？梢允褂?。我的問題是，即使有阿姆達(dá)爾定律，我們是否可以通過分片獲得希望的擴(kuò)展性。 如果想要了解阿姆達(dá)爾定律，可以百度一下。

這表明整個任務(wù)的執(zhí)行的理論加速隨著系統(tǒng)資源的改進(jìn)而增加，并且無論如何改進(jìn)的程度，理論加速總是受到限制而無法從改進(jìn)中受益的任務(wù)。這基本上表明，一旦所有可并行化部分最大化，系統(tǒng)的吞吐量限于序列化部分的分配。

對于區(qū)塊鏈分片，我將此解釋為意味著吞吐量的潛在增加目前僅限于可以在單獨的分片上同時執(zhí)行的事務(wù)數(shù)量。 也就是說如果分片上的事務(wù)需要來自另一個分片的數(shù)據(jù)，則它必須同步來自另一個分片的數(shù)據(jù)傳輸。 根據(jù)阿姆達(dá)爾定律控制吞吐量，這是序列化的一個點并給出了大量的分片。

個人原生代幣交易

兩個帳戶之間的交易明確限制為僅在帳戶之間轉(zhuǎn)移硬幣余額，例如在兩個帳戶之間發(fā)送硬幣，不需要來自任何其他帳戶的數(shù)據(jù)。因此，如果兩個帳戶的數(shù)據(jù)在特定分片上可用，則事務(wù)可以與其他帳戶上的其他事務(wù)異步執(zhí)行。這會隨著分片數(shù)量和帳戶對之間不相交的交易數(shù)量而變化。隨著賬戶數(shù)量的增長，人們可以預(yù)期分割此類獨立交易的機(jī)會也會增加。在該限制中，吞吐量由執(zhí)行單個事務(wù)所花費的時間決定，無論在任何給定時間點執(zhí)行多少事務(wù)。這正是我們想要提高區(qū)塊鏈吞吐量的情況。

智能合約分片

對于智能合約來說，情況并不那么好。智能合約在區(qū)塊鏈上實施為單個分類賬賬戶，其數(shù)據(jù)狀態(tài)與程序代碼相關(guān)聯(lián)。每個事務(wù)都通過代碼更改數(shù)據(jù)狀態(tài)。每個更改都記錄在區(qū)塊鏈中，并使用表示狀態(tài)的哈希進(jìn)行驗證。為了保持區(qū)塊鏈的確定性，一致狀態(tài)，每個智能合約一次只能在一個分片上執(zhí)行，除非智能合約賬戶本身的狀態(tài)可以分片。通常這會使智能合約帳戶執(zhí)行成為向智能合約發(fā)送交易的所有帳戶的限制因素。由于智能合約用于標(biāo)記化，很可能隨著給定令牌的流通量增加，其智能合約成為吞吐量的瓶頸，無論存在多少分片，如阿姆達(dá)爾定律所預(yù)測的那樣。

對于智能合約的當(dāng)前實現(xiàn)模型，我只看到兩種使用分片進(jìn)行擴(kuò)展的可能方法：

· 使用在分片上隔離的多個智能合約

· 使用確定性多線程智能合約（也稱為SIMD）

多個智能合約可以利用分片優(yōu)勢。例如如果表示每一個代幣的智能合約都分配給一條單獨的分片，那么給定代幣的事務(wù)不會影響其他代幣上的事務(wù)。盡管每個單獨代幣的事務(wù)僅限于其特定分片上智能合約的吞吐量，但是隨著代幣數(shù)量的增加而增加，分片的數(shù)量會隨著它們線性增長。但這并沒有解決單個智能合約的吞吐量問題，這是對單個區(qū)塊鏈上所有智能合約的改進(jìn)而不是分片。即使采用這種方法，如果在分片之間共享的用戶帳戶需要任何狀態(tài)（例如用于支付交易的本地代幣），則會出現(xiàn)問題。

來自超級計算的一種稱為矢量化的技術(shù)使程序能夠并行地執(zhí)行其代碼部分。這稱為單指令多數(shù)據(jù)（“SIMD”）。為SIMD編寫的程序被編寫為確定性的。本質(zhì)上，SIMD機(jī)器（通常是通用圖形處理器單元（“GPGPU”））在一系列處理器上對它們的數(shù)據(jù)進(jìn)行分片。這對于某些類別的應(yīng)用程序非常有效，例如圖形和類似的矩陣運算。

這種技術(shù)理論上可以應(yīng)用于區(qū)塊鏈智能合約。也就是說，可以顯式地編寫智能合約以支持以某種方式并行執(zhí)行事務(wù)。我不確切知道如何實施。也許區(qū)塊鏈研究會在這方面提出一些創(chuàng)新的東西。然而，即使有這樣的解決方案，編寫具有SIMD能力的智能合約也會變得非常復(fù)雜。

多個智能合約和SIMD智能合約都不是理想的解決方案，盡管兩者都可能提供一些擴(kuò)展的機(jī)會。

智能對象資產(chǎn)開啟分片的使用

使用智能合約進(jìn)行分片的限制點是狀態(tài)和代碼執(zhí)行的分片。如果有一種方法可以避免在單個智能合約狀態(tài)和代碼執(zhí)行時序列化事務(wù)，則分片可能會增加吞吐量擴(kuò)展。換言之，如果存在多指令多數(shù)據(jù)（“MIMD”）執(zhí)行的手段，則區(qū)塊鏈分片的機(jī)會將得到顯著改善。

正如“重新思考區(qū)塊鏈帳戶概念”中所述，如果每個用戶帳戶都有自己的狀態(tài)，而不是使用單獨的智能合約，那么每個用戶帳戶可以包含代表資產(chǎn)的對象，無論是代幣還是其他類型的實體。如“可擴(kuò)展智能對象資產(chǎn)、智能對象資產(chǎn)所有權(quán)和部分智能對象資產(chǎn)所有權(quán)與數(shù)據(jù)報區(qū)塊鏈可擴(kuò)展區(qū)塊鏈對象模型”中所述，XSOA和對XSOA的引用可用于在賬戶之間直接交易之間轉(zhuǎn)移所有權(quán)的帳戶狀態(tài)。

例如給定兩組交易，其中每筆交易在不同的賬戶之間，即：一筆交易是從賬戶A到賬戶B;另一個交易是在賬戶C到賬戶D之間，然后交易可以同時在不同的分片上執(zhí)行。此外，因為XSOA的代碼獨立于任何帳戶，并且對于每個事務(wù)可能是不同的代碼，我們可以實現(xiàn)MIMD模型的分片。這是每個分片上的不同代碼和每個分片上的不同數(shù)據(jù)。

此處的規(guī)模限制點是可以在不相交的帳戶集之間同時進(jìn)行的交易數(shù)量。我們預(yù)計隨著賬戶數(shù)量的增加，任何一組交易中不相交賬戶集的機(jī)會也會增加，這反過來會導(dǎo)致分組的機(jī)會增加。

結(jié)論

作為一種給定的分片共識算法，，一個突出的問題是如何利用這種技術(shù)。智能合約固有地序列化交易而不是復(fù)雜的SIMD類型解決方案，僅通過使用多個單獨的隔離智能合約來提供擴(kuò)展。即便如此，每個智能合約的吞吐量僅限于單個分片的吞吐量。通過重新思考用戶帳戶以包含狀態(tài)信息，并使用XBOM模型，DataGrid區(qū)塊鏈提供了一種分片可擴(kuò)展性的解決方案，可根據(jù)帳戶數(shù)量和帳戶之間的不相交交易進(jìn)行擴(kuò)展。除了啟用繼承和實時代碼重用之外，我們認(rèn)為這是區(qū)塊鏈擴(kuò)展問題的重要解決方案。