分片技术解决区块链交易拥堵的利刃

为什么需要分片技术?

就业者的角度来说,如果鲤鱼战略特区短时间内无法成形,难以扩大日本的高价锦鲤养殖规模,未来将很有可能面临廉价的中国锦鲤竞争,这样的状况确实是日本所不愿见到的结局,战略意图的背后,当然也就攸关日本锦鲤经济能否稳居世界第一了。

首先,区块链能够使交易的处理速度迅速提升,如果我们将加密货币的未来与支付手段联系在一起,以更低的费用搭配更高的处理能力,加密货币逐渐走向支付手段的路就能越走越宽。

锦鲤是鲤鱼的异变种,与金鱼一样,都是来自于河川的天然彩色变种,而且主要是红色。由于彩色变种容易遭到天敌发现,因此生物演化让鲤鱼和鲫鱼的颜色,形成与河川岩石类似的灰黑色;但这些彩色变种被人类发现之后,由于色彩形态奇特,而被捕捉饲养。

事实上,中国国内的锦鲤市场相当庞大,目前中国最主要的锦鲤产地河南省,售价一尾1万元人民币的锦鲤,一年可销售8,000万尾,令人瞠目结舌,也因此更加稀奇高贵的日本锦鲤,就成了中国富豪觊觎的目标了。

区块链技术面临着一个巨大的瓶颈,那就是——公链的可扩展性不够。为此,开发者们绞尽脑汁地提出了各种各样的方案来试图有效提升区块的吞吐量(TPS),我们称这一过程为“扩容”。

锦鲤的品系发展至今,大概可分为最古老的“红白”;1915年配种,体色除红白外,还有黑色斑点的「大正三色」;以及黑色斑点更加豪迈,宛如泼墨般的「昭和三色」等,而这三个品系,也被称之为「御三家」。

鲁能主场迎战一方。鲁能2胜2平保持不败,一方2平2负一胜难求。上半场,鲁能在场面上占据绝对优势,不过多次射门都没能转化为进球,反倒是穆谢奎在半场结束前接赵明剑的传中头球破门。下半场,鲁能依旧攻势不断,格德斯多次获得良机,不过都一一错失。第75分钟,一方小将李帅掌掴吴兴涵染红,鲁能多一人作战。最后时刻,鲁能仍有破门机会,不过都与进球失之交臂,鲁能主场0-1输给一方,遭遇赛季首败,一方则收获赛季首胜。

锦鲤的销售出口虽然让新潟产地的锦鲤店家是笑呵呵,不过当地业者也担心,配种与养殖技术会不会因此外流?尤其是日前才发生有不肖业者,将日本和牛的精液偷偷输往中国的事件,也因此如果锦鲤的培育技术外流,对当地而言会是不小的打击。

网络分片较为简单,但也非常重要,它是被提出的最早的分片策略。它通过随机抽取特定数量的节点创建一个分片,当形成多个分片后,分片内部的节点就会自行建立共识,对各自接收到的交易进行确认。

上港主场迎战卓尔。上港近期状态不好,上轮在主场2-3输给斯威,周中的亚冠联赛又3-3战平悉尼FC,两场比赛丢掉6球。上半场,上港占据绝对场面优势,胡尔克的射门中柱弹出,随后上港的多次射门均未取得进球,武汉队的门将董春雨和后防大将姆比亚化解多次威胁。下半场,上港依旧占据明显优势,第71分钟,胡尔克利用点球打破僵局,第79分钟,李行禁区外一脚世界波打破颜骏凌把守的大门。伤停补时阶段,埃尔克森上演绝杀,最终上港主场2-1绝杀卓尔,升至积分榜第2。

鲤鱼与鲫鱼的变异种,早在四世纪中国的晋朝时期就被发现,并且形成饲养、融入生活之中的文化,这可从许多唐诗、宋词等文学作品窥探。不过类似的风俗流传至日本后,变种鲤鱼与金鱼,却同样引起日本人的重视,并且逐渐发扬光大。

虽然锦鲤在日本是相当尊贵的饲养鱼种,不过1990年代,时值泡沫经济的日本,大家手上的资金却都拿去从海外购入大量热带鱼,让锦鲤的景气逐渐低迷。之后由于日本经济大萧条,锦鲤市场也一蹶不振,让锦鲤产业面临存亡的危机。

因此「自民党锦鲤议连」想要推动农地法的修法,让这些农地转用更加方便,实现鲤鱼战略特区的计划。不过农林水产省的官员认为,一旦开放农地转用,恐怕将会导致农地大量消失,后果不可不慎,因此并不赞同如此的做法。

在此过程中需要注意安全性,分片会导致确认同一笔交易的节点数量减少,因此更加容易受到网络攻击和恶意节点的干扰。分片形成后,就可以实现同时处理不同的交易,提高区块链网络的效率。最早的分片技术项目“Zilliqa”就运用了网络分片。

虽说价格超过一千万的锦鲤,仅占目前日本锦鲤市场的1%,然而这个部分的产值相当高,不但大多是获奖的品种,从数据来看超过八成的买家都是外国人,尤其是来自中国的富豪。

当然,分片的原理不仅仅在于如何分片,更在于如何对每个分片进行安全有效的治理,对于公链来说,可扩展性、安全性和去中心化缺一不可。相信不久的将来,我们就能得到一条“三角齐全”的理想公链。

事实上,近年来锦鲤在中国市场爆红,也让日本出现所谓的“锦鲤商机”。许多中国富豪都跑去日本挑货选货,而且售价动辄数百万、甚至于上千万日币都有,但仍然形成“爆买”旋风。不仅中国富豪,海外各国的富裕层近年也流行起饲养锦鲤,让锦鲤的价值水涨船高。

虽然我们大概讲了分片技术的整体思路,但具体的实施,却并不如想象中的那样容易。下面,小K君再给大家讲讲分片技术的具体技术原理。

国安依旧攻势不断,第68分钟,李可接奥古斯托的传中推射破门,这也是归化球员在中超赛场上的首球。第73分钟,张禹禁区内犯规送给建业点球,自己也吃到第二场黄牌,两黄变一红被罚下,奥汉德扎点球破门,国安本赛季不失球金身告破。全场比赛结束,国安主场2-1击败建业,豪取5连胜,继续领跑积分榜。

5轮过后,国安豪取5连胜强势领跑,也成为唯一一支没有输球的球队,上港和恒大同积12分,上港凭借进球数优势升至第2,斯威凭借一波3连胜升至第4,苏宁9分升至第5,鲁能8分跌至第6,此前未尝胜绩的富力、人和和一方,本轮纷纷获胜,建业和天海成为仅有的2支没有取胜的球队,天海以净胜球劣势排名垫底。

锦鲤的沉寂衰退在近年来却出现翻转。首先是美国的买家,开始从日本引进锦鲤,由于美国热爱日本文化的人不少,因此带动饲养风气;这几年则是中国富裕层的爆买,开始大量从日本购买高价锦鲤,连带让日本锦鲤水涨船高。

而锦鲤的发源地新潟,更成为锦鲤的主要产地。当地自19世纪初开始饲养,并独自发展出配种的技术,明治初期当地更配出黄、紫、绿等特殊色泽的锦鲤,小千谷与山古志当地还组成“品评会”,每年举办比赛,将锦鲤的文化推向高峰。

现今锦鲤的输出,由于技术进步,变得相当容易——使用新型塑料袋,打入足量氧气,再放入锦鲤与水,即可空运,在短时间内将锦鲤从日本运送至世界各国。因此每年都有大批来自海外的人士,前往日本抢购高价锦鲤。而「自民党锦鲤议连」的成员们,更是正在积极推动修法,期望在产地新潟县,建立所谓的「锦鲤战略特区」。

所以,今天小K君就给大家讲一下,到底什么是“分片技术”。

为了更好地理解它,我们再次引入刚刚所讲的“公路”的例子:我们把区块链比作高速公路,把待验证的交易比作汽车,把验证交易的节点比作收费口。原本繁忙的高速公路上只有一个收费站,收费站里只有一个收费口,车辆排着长队等待通过,结果就是越积越多,交通堵塞几近瘫痪。而分片技术就好比把收费站重修,增加了十个收费口,极大提高了汽车通过的速度。以这样的思路,分片技术能够显著提高区块链的交易速度。

国安主场迎战建业。国安4战全胜,进9球不失1球,强势领跑积分榜。建业2平1负未尝胜绩,上轮与卓尔的比赛因为场地原因推迟。上半场,国安攻势如潮,巴坎布、张稀哲、比埃拉都有破门机会,不过建业门将吴龑多次将必进球拒之门外。第57分钟,张文涛禁区内手球,主裁判克拉滕伯格在观看VAR后判罚了点球,奥古斯托主罚一蹴而就。

将网络分割为碎片可以允许更多的交易同时被处理和验证,并且随着网络的增长,越来越多的节点加入,区块链网络也被期待能够处理越来越多的交易,这就实现了它“无限大”的可扩展性。

由于目前培育锦鲤的场地不足,加上农家因人口年龄老化导致许多农地废耕,所以锦鲤战略特区,就是要活化这些农地,让饲养锦鲤的区域增加,扩大饲育规模。不过目前的法令规定,如果要农地转用,必须要向当地的农业委员会提出申请,繁杂的手续也形成农地转用的阻碍。

最早开始饲养变种鲤鱼的,是在19世纪初,位于新潟县的小千谷与山古志(现在的长冈市)一带。当地的农民在耕种时,发现水田当中有红色的鲤鱼,因为稀奇罕见而开始捕捉饲养。当地原本就有在稻米收割后,将水田放满水饲养鲤鱼、以供冬季食用的传统;既然要饲养,有这些变种鲤鱼养起来会更加赏心悦目。

例如我们有两个分片,有两个用户信息,那么每个分片就保留着其中之一的用户的交易信息,而不是把两者的交易信息都保留。

目前我们分片技术主要有三大类:网络分片、交易分片、状态分片。它们的基本原理都是“分流”,用多个分片同时处理不同的交易,再汇集到总链上。

当然,分片技术依然存在着很多难题需要解决,尤其是状态分片,虽然原理已经被提出,但目前却还未有最合适的解决途径。

率先结束的4场比赛中,富力主场2-1绝杀申花,收获赛季首胜,斯托伊科维奇下课压力稍稍缓解;斯威2-1战胜华夏,豪取3连胜,升至积分榜第4;天海客场1-1战平泰达,遭遇开局5轮不胜,仍旧深陷降级区;苏宁客场2-0击败深圳佳兆业,升至积分榜第5。上赛季中超BIG4今日同时出战。

由于变种鲤鱼体色为白色与红色、黑色交杂,宛如锦织一般,因此便称为“锦鲤鱼”,以显示其尊贵。体色优美加上鲤鱼的生命力极强,抗寒性与抗病性都优于一般鱼类,让饲养锦鲤相对容易,锦鲤就这样逐渐在上级武士与豪商阶级流传开来,成为日本富裕层的屋敷庭院中,不可或缺的主角之一。

总来的说,目前分片技术还有不少挑战在,但确实能够对公链的可扩展性起到很大帮助。

“扩容”又分为“链上”和“链下”两种,如果我们把区块链比作一条公路,“链上扩容”就好比对公路本身进行重建,比如拓宽道路;“链下扩容”则选择另外的途径减轻公路负担,比如建造辅路。而“分片技术”就是“链上扩容”的方案之一,它被认为是能够有效解决区块链吞吐量问题的解决方案。

试想有人用一个地址向两个人发起相同的交易,这两笔交易被分配到同一个分片进行处理,之后分片就会识别出相同的交易发起地址,从而阻止双重花费。如果这两个交易被分到了不同的分片,分片中的节点也同样能检测出来,将这笔交易拒绝。目前这种技术已经很成熟,能够适应多种共识机制。

中国富豪们之所以会迷上锦鲤,主要是因为锦鲤的“稀有性”:由于每一尾锦鲤的色泽与图案都不同,加上中国有所谓的“鲤鱼跃龙门”的古老传说,所以让锦鲤的价值在中国一直居高不下,有的甚至一尾可达到数千万日圆,因此锦鲤又被称为“会游泳的宝石”。

在区块链行业,我们经常能听到“区块拥堵”“交易速度太慢”等词汇,事实确实如此,近年来爆发式增长的用户需求已经给底层公链带来了越来越多的挑战,比特币社区曾为了这一问题的解决方案发生过长达数年的争执,甚至导致社区分裂;而以太坊也一度因为一个挂在公链上的小小游戏“加密猫”而长时间拥堵不堪。

其次是因为地处山区,所以当地农民会偷偷在许多人迹罕至的地区开辟隐田,由于江户时代稻米是评量各藩实力的重要依据,农民种田都要上交,拥有隐田的农民相对富裕许多,也因此小千谷与山古志地区的农民,生活相对比其他地方还要宽裕,逐渐流行起饲养变种鲤鱼,并且进行配对、以求饲养出体质优良的品种。

根据农林水产省的统计,2018年锦鲤的出口总额,高达43亿日圆,其中八成都输往中国,可见锦鲤在中国成为爆买的热潮。

这一创造性的思路,首次被提出是在2015年。它是由一对来自新加坡国立大学的师生,在国际顶尖安全会议CCS上发表的一篇论文《A Secure Sharding Protocol For Open Blockchains》中发布的。而这一对师生,后来也将这一理论付诸了行动,发展出了第一个分片技术落地项目,名为“Zilliqa”。它的测试网络中存在6个分片、3600个节点,其处理交易的速度能够达到每秒2800个,是目前公链中的NO.1。分片技术也得到了以太坊创始人V神的认可,他甚至已经打算在以太坊的区块链上应用分片技术来扩大吞吐量了。

时至今日,饲育锦鲤已成为一门学问,不但有「全日本爱鳞会」进行锦鲤的推广、技术交流、研发以及品种的命名,日本国会之中,喜爱锦鲤的多位自民党议员们,还在2019年2月,筹组了「锦鲤文化产业振兴议员连盟」,简称「自民党锦鲤议连」——这个组织最大的目的,就是要推动锦鲤成为日本的“国鱼”,而这也是前众议员,已故的山古志村长长岛忠美的遗愿。

网络上已经创建好了分片,这些分片会处理不同的交易,按照一定的依据(比如交易发起者的地址)将这些分片划分成不同的交易分片。它解决了如何将一个交易分配到某个分片的问题,就好像把收费站的收费口划分成“大型货车收费口”和“家用小车收费口”一样。

第二,如果某个分片遭受攻击,其中的交易就会遭到中断,别的分片的节点无法代替工作,只能从遭受攻击的分片内部节点开始修复。也就是它的容错性和抗风险能力就会降低,甚至还有过度中心化的风险。

其次,改善交易效率也会给区块链带来越来越多的用户,更多基于区块链而生的应用程序可以大展身手。公链将变得越来越有吸引力,能够吸引更多加入到公共网络上的节点,从而形成一个良性循环。这些积极的趋势所持续的时间越长,我们就会越能看到主流的加密技术和落地应用的出现。

此外,尚有「浅黄」、「秋翠」、「五色」、「黄金」、「孔雀」等各种不同颜色的品系,让人眼花撩乱;饲养配种的名人高手也相继而出,像是培育出「大正三色」的佐藤平太郎,以及秋翠的鼻祖:初代秋山吉五郎等,这些名家所培育出的锦鲤,不但色泽亮丽,且体态优雅,因此成为华族与文人雅士,争相入手的目标。穷极一生心血,只为培育出极品锦鲤的名人们,也因此名利双收、甚至演变成代代相传的事业。

恒大客场挑战人和。恒大豪取4连胜,进7球不失1球,人和则遭遇4连败,进1球狂丢8球,排名垫底。开场仅15分钟,保利尼奥因为抬脚过高吃到红牌,恒大少一人作战。虽然10人作战,但恒大在第27分钟由杨立瑜头球破门。半场结束前,迪奥普为人和扳平比分。比赛进行到伤停补时最后1分钟,陈杰爆射破门,人和2-1绝杀恒大,收获赛季首胜,恒大则遭遇赛季首败,人和凭借本场胜利,暂时摆脱了垫底的位置。

状态分片是目前最复杂、最具挑战性的一种分片技术提案。它又提出,不同的分片需要储存不同的数据,真正做到将数据库分开,数据都分散放在了不同的分片上。而每一个状态分片中的节点都储存着自己分片中的所有数据,而不是整个区块链的数据。

首先,分片技术是基于传统的“数据库分片”这一概念而产生的一种扩容技术。传统的“数据库分片”是把数据库分割成多个碎片,并经这些碎片储存在不同的服务器上,使系统能够更快更有效地管理数据。它给公共区块链带来的启发是,可以将网络上的交易分成不同的碎片,由网络上的不同节点组成。当有大量交易需要处理时,不同碎片上的节点能够同时并行处理不一样的交易,每个节点只需处理自己所接收到的一部分交易,就能在短时间内完成大量的验证工作。

它目前面对的问题有两个,首先,不是每个节点都储存全网的每一笔交易信息,那么如果一笔交易的发起人和接受者处在两个不同的分片上,交易信息就必须在两个碎片之间进行共享,两个分片之间又进行信息和状态互换,更加降低了区块链网络的效率。

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