最热门分片方案究竟怎么样?一文读懂以太坊 2.0、Zilliqa、Quarkchain、Monoxide

链闻研究院 2019-02-01

分片一直是热门话题,最近热度更高。因为关于如何提升区块链基础设施性能瓶颈的问题 , 已经热热闹闹讨论了一年多时间,开发者们提出了包括链上扩容和链下扩容在内的多种扩容方案,其中,分片技术在不降低去中心化性能的情况下提升了可拓展性,具有良好的应用前景。于是,众多分片项目成为市场关注焦点,获得知名机构投资。

进入 2019 年第一季度,包括 Zilliqa、Quarkchain 在内,不少以分片为亮点的公链项目将正式发布主网。

全球通证数据与评级机构 TokenInsight 最近针对市场上最受关注的 Ethereum 2.0、Zilliqa、QuarkChain 和 Monoxide 这四个分片项目或技术方案进行了研究和分析,撰写一份深度报告。链闻获得 TokenInsight 授权,将这份报告的核心内容推荐给读者。

热门分片项目整体比较

TokenInsight 指出,分片是最有希望实现链上扩容方案,不过,目前仍处于起步和探索阶段,当前市场上还未出现一种能解决所有关键问题的方案。(在 TokenInsight 撰写的另一篇报告 《如何解决公链性能瓶颈?分片技术是有希望的链上扩容方案》 中对分片技术的发展现状做了详细的研究和分析。)

但是相比于 Bitcoin、Ethereum 的性能,现有方案已经有了长足的进步,已基本能够满足现阶段应用的需求。此外,近期也有不少项目宣布引入分片技术以提升其系统性能。

在对 Ethereum 2.0、Zilliqa、QuarkChain 和 Monoxide 四个热门项目或方案的分片技术部分进行分析后,TokenInsight 指出:

  • Ethereum 2.0 致力于同时实现智能合约分片和存储分片,目前处于起步阶段,需要数年的开发时间。
  • 而 Zilliqa 和 QuarkChain 分别实现了智能合约分片和存储分片,虽然它们的方案有点「讨巧」,但它们已经在一定程度上实现了公链的性能提升,其性能表现已经基本能满足现阶段的需求。
  • Monoxide 则在完全去中心化的前提下实现了全方位的分片,其设计的连弩挖矿机制允许一个矿工同时参与多个共识组内部的挖矿竞争,可以收获到多个共识组的出块奖励,从而使得单个共识组的实际有效算力,将等同于全网的物理算力。不过,现阶段 Monoxide 仍处在理论阶段,实际运行效果仍需等项目测试或上线。

下图为这四个核心方案的整体比较:

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Ethereum 2.0

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  • Ethereum 2.0 目标是实现状态分片,其中包括智能合约分片与存储分片。信标链是 Ethereum 2.0 架构的核心和基础。信标链是 Ethereum 原链的一条侧链,Ethereum 原链仍保持原有状态运行 PoW 共识,而信标链运行 Casper FFG 共识(改进的 PoS 共识)。
  • 信标链主要功能有保证随机性、管理验证节点、验证跨分片交易等。Ethereum 2.0 共识算法为 Casper FFG ,是一种改进的 PoS 共识算法。其主要作用有两点:第一,大降低挖矿能耗;第二,为分片提供最终确定性保证。
  • Ethereum 2.0 中的跨分片交易也需要信标链为中介进行验证,因此,当系统中跨分片交易数量过多时,信标链本身的性能可能会成为跨分片交易的性能瓶颈。
  • 由于 Ethereum 2.0 需要实现智能合约分片与存储分片,开发难度较大,而目前仍处在起步阶段,因此需要较长的开发时间。

Zilliqa

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  • Zilliqa 已经成功主网上线;
  • 该项目现阶段已实现智能合约分片,但未实现存储分片。
  • Zilliqa 共识算法为 pBFT + PoW,其中 PoW 共识的作用主要有两点:第一,防御女巫攻击;第二,利用 PoW 的随机性为分片的划分提供随机性保证。其采用两轮 EC-Schnorr 多重签名来代替传统 pBFT 共识中的 prepare 和 commit 阶段,从而将 pBFT 共识的通信复杂度降为了 O(n)。
  • Zilliqa 的智能合约分片中,复杂交易全部由 DS 委员会来处理,因此 DS 委员会可能会成为智能合约分片的瓶颈。
  • Zilliqa 未实现存储分片,因此存储问题可能会限制其性能的提升。

QuarkChain

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  • QuarkChain 采用双层架构,系统由根链层和分片层构成,分片的安全性由根链来保证。
  • QuarkChain 设计了玻色子共识,使得在不同的分片内可以运行不同的共识算法,进一步降低了挖矿门槛,从而为系统提供更多的算力保护。
  • 该项目现阶段分片内性能并未有明显提升;
  • QuarkChain 现阶段暂未实现智能合约分片,因此智能合约性能可能会受到其所在分片的性能限制。

Monoxide

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  • Monoxide 是近期新出现的一种分片方案,其论文经过 NSDI 会议评审委员会审读后发表,是今年该学术会议上唯一一篇关于区块链技术的学术论文;
  • Monoxide 在完全去中心化的前提下实现了全方位的分片,其设计的连弩挖矿机制允许一个矿工同时参与多个共识组内部的挖矿竞争,可以收获到多个共识组的出块奖励。从而使得单个共识组的实际有效算力,将等同于全网的物理算力。
  • 为了高效处理带有智能合约的复杂跨分片交易,Monoxide 设计了 Oxidation 编程模型,其核心逻辑基于函数编程(Functional Programming)),这么做的原因是交易逻辑的代码能够比较容易在编译器层面被切分,继而方便在各个共识组中接力运行。
  • Monoxide 目前仅公布了其方案介绍,具体内容会在 2019 年 2 月 26 日的 NSDI 会议上公布。现阶段 Monoxide 仍处在理论阶段,实际运行效果仍需等项目测试或上线。

以下 TokenInsight 该深度报告的全文内容:

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