IOHK官网博客:对支持 Cardano 可扩展性的研究的分析

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原文来自IOHK官网博客,由卡尔达诺大使陈哲Anson翻译

深入了解 IOG 研究之第 4 部分。第 1 层和第 2 层解决方案如何创建更快、更有弹性的区块链

之前的博客文章深入研究了使 Cardano 的多功能账本支持表达性智能合约和原生资产的基础研究。

作为 Basho 开发阶段的一部分,Cardano 正在进行稳定的升级和优化,以提高可扩展性和互操作性。 “我们如何在 2022 年扩展 Cardano”帖子反映了 Cardano 的可扩展性目标,并讨论了互操作性和侧链的作用。本文将仔细探讨能够实现这些逐步增强功能的研究。

对卡尔达诺进行扩展

可扩展性对于区块链网络支持不断扩大的用户群,并在不牺牲吞吐量的情况下确保增长至关重要。

扩展区块链通常需要采用多种解决方案的组合方法,以适应各种情况和项目。例如:

• 第一层解决方案:直接应用于主链协议的升级。
• 第 2 层解决方案:提高主链性能的附加链(侧链)或第 2 层解决方案(ZK rollups)。

第 1 层可扩展性解决方案

Pipelining 和 背书输入 是计划于 2022-2023 年在 Cardano 上实施的两种链上解决方案。详细介绍pipelining研究的论文尚未发表,但这里有一些引入Pipelining的特性和基本原理。

Pipelining in Ouroboros

要了解什么是pipelining,我们首先定义块传播。块传播意味着块生成节点在网络上分发有关新块的信息。

pipelining改进了块传播时间。目标是在五秒钟内将块传播到对等方。pipelining通过使节点能够预先通知其下游对等方传入块的能力,从而使对等方能够预取新的块主体,从而实现了这一点。

该研究提出了在完全验证块主体之前传播块主体体的想法。这使得块主体验证工作脱离了块传播的关键路径,并允许验证所花费的时间与将块发送到网络中的下一个对等点重叠。这减少了块传播时间,进一步允许块大小增加或 Plutus 改进等。因此,块越大,它可以承载的交易和 Plutus 脚本就越多,这也会影响区块链的吞吐量。这些升级计划在 Vasil 硬分叉活动期间应用于 Cardano。

背书输入

背书输入的实施也将改善区块传播时间和吞吐量。背书输入跟踪所有提交的交易并将这些交易捆绑到预先构建的块中。这意味着有两组块,一组包含交易,另一组达成共识。执行共识的块将引用预先构建的块,这些块不断流式传输,而无需等待达成共识。这将提高块传播时间的一致性并允许更高的交易率。

IOG 卡尔达诺架构前总监约翰·伍兹说:

Pipelining实现是一项伟大的技术,其综合基准​​显示效率提升高达 40%。这是卡尔达诺如何扩展以满足 2022 年需求的故事的重要组成部分。2023 年将见证 Ouroboros Leios(输入代言人)的曙光,这将改变游戏规则。预计背书输入将在未来五年内扩展 Cardano。

分层定价

IOG 科学家的另一项研究计划是实施分层定价。在当前系统中,所有交易都被同等对待,例如,不可能通过支付更高的gas费来改变它们的优先级。只要网络吞吐量与交易处理需求相当,这种方法就可以很好地工作。然而,随着网络使用量的增加,并非所有交易最终都可能包含在区块链中。拒绝服务 (DoS) 攻击的可能性——利用公平交易处理将恶意垃圾邮件伪装成合法交易——需要额外的措施来支持网络健康。

分层定价以灵活的方式实现稳定的系统性能,尤其适用于防止 DoS 攻击。该研究建议保持卡尔达诺交易的可预测性、公平性和成本效益,同时减轻更大的网络需求可能引起的问题。该方法提出了一种新颖的交易费用机制,其中每个区块分为三个“层”(基于用例)。

每一层都占最大区块大小的一定百分比,并且专为不同类型的交易而设计——公平、平衡和即时。 当网络不忙时,层默认为交易优先级的标准方式。

第 2 层可扩展性解决方案

为了帮助扩展可以一次处理的大量交易,区块链网络可以启动多个侧链、引入状态通道或应用基于权益的阈值多重签名方案。

侧链

“权益证明侧链”论文于 2019 年发表。该论文首次正式定义了侧链系统是什么以及资产如何在侧链之间安全移动。

IOG 科学家提出了一个安全定义,该定义增强了已知的交易账本持久性和活跃性属性以跨多个账本保存,并通过新的“防火墙”安全属性增强它们。这可以保护每个区块链免受其侧链的影响,从而限制潜在的灾难性侧链故障的影响。该论文还提供了一种适用于 PoS 侧链系统且与 Ouroboros 共识协议一致的侧链结构。提出了合并抵押、跨链认证和多重签名使用等技术,以确保侧链对恶意攻击的弹性。

作为这项研究的结果,IOG 开发了 Cardano EVM 侧链,目前在测试网上处于 alpha 版本。它将与以太坊的工具和库兼容,允许开发人员在 Cardano 上创建 Solidity 智能合约、DApp 和 ERC20 代币,以获得成本效益、可扩展性和安全性等优势。

Hydra

除了侧链之外,还有其他用于提高网络可扩展性的解决方案。例如,Hydra 状态通道。

研究论文《Hydra: Fast Isomorphic State Channels》发表于 2021 年。论文介绍了 Hydra——一种同构多方状态通道。状态通道是一种有吸引力的第 2 层解决方案,用于提高区块链的吞吐量和延迟。 Hydra 通过直接采用第 1 层智能合约系统简化了链下协议和智能合约开发,从而允许在链上和链下使用相同的代码。利用 EUTXO 模型,该研究建议如何为 Hydra Heads 的演变开发一种快速的链下协议,该协议目前正在 Cardano 上实施。

Mithril

最后,为了实现更大的可扩展性,简化应用程序之间数据同步的速度和效率也很重要。针对这一问题,IOG 研究团队于 2021 年发表了题为“ Mithril:基于权益的阈值多重签名”的论文。

有效的链验证对于在区块链环境中实现更大的可扩展性至关重要。这也取决于网络验证者签署的各种消息。 Mithril 解决了与这些参与者的数量成对数关系的关键操作的复杂性。

考虑到验证特定消息所需的时间以及链同步验证阶段的资源使用情况,Mithril 提供了一种解决方案,可以在不影响安全功能的情况下快速高效地进行多签名聚合。

该论文反映了如何在多签名聚合中保留强大的安全设置。因此,Mithril 可以应用于快速、高效、安全的链同步协议。有利于安全投票、侧链之间的数据交换以及轻钱包内的数据同步。它是Basho阶段的一部分,将于 2022 年实施。

最后

IOG 研究图书馆目前托管了 144 篇论文,而且这个数字还在不断增长。任何功能或升级在被部署到卡尔达诺之前,所有的这些工作一直并将进一步做好奠定基础的工作。

在接下来的几个月中,我们将更多地曾献有关账本优化、可扩展性改进和治理计划的最新发展和研究。

原文链接:An analysis of the research underpinning Cardano's scalability - IOHK Blog