Nightshade：能够突破限制的Near协议分片设计

今天这篇文章将会为大家介绍Near protocol提出的分片方案—夜影协议(Nightshade) 。

区块链依靠在所有节点复制所有交易来保证数据的正确性，每个节点如果只验证一部分，那就明显会降低安全性。

系统共有10个分片（shard chain）, 每个分片链由1/10的节点验证，理论上TPS可以提升十倍，但安全性也会随之下降。

假设原始的区块链中有51%以上的恶意节点合谋了，才可以破坏整条链的状态，那么分片后只要有5.1% (51/100) 的恶意节点合谋就足够破坏某个分片上的状态。

大部分分片方案的应对思路是随机分配验证者，只要让恶意节点不在同一条分片链上，他们就无法合谋。

大多数方案选择用一条独立的链来实现管理分片，处理POS（proof of stake）共识，生成随机数等等。

就比如以太坊2.0的Beacon chain、PolkaDot的Relay chain、Cosmos的Cosmos Hub。

而Nightshade也使用了一条这样的Beacon chain (信标链)。

以上三点都会影响整个网络的处理能力。

从长远来看，状态存储的压力比较大，即使TPS一直保持在20左右，链的状态也会一直增长，但短期来看，区块链处理交易的能力才是更加重要的。

截止发稿，以太坊全状态大约为100G，大多数节点仍可以轻松处理，但是以太坊的TPS仅有20左右，很难满足实际需求。

Nightshade的分片也会分割以上提到的三点。分片中的节点仅验证和传播与分片相关的交易，并且只存储和分片相关的状态。

在Nightshade的方案中，分片数量和计算、存储、网络等资源为线性关系。

Nightshade对Beacon chain和分片链进行了简化，在Nightshade中仅维护一条区块链，所有分片上的交易都会在这一条链上被确认。

一个块中的交易列表按照分片数量被分为多个chunks, 每个chunk对应一个分片，分片的验证者只需要下载和验证分片的chunk而不需要下载整个块，系统中没有节点会验证整个块的交易和状态。

现实中由于网络因素可能会导致chunks丢失，所以我们允许每个块中的分片可以对应一个或零个chunk。

Nightshade中有两个角色共同维护协议：出块者和验证者。

在系统中任何时间点都有w个出块者和wv个验证者，系统采用POS (proof of stake)，出块者和验证者都会质押一定的Token作为不遵守协议时的惩罚。

系统包含n个分片，每个出块者和验证者都仅下载和验证一部分的状态。

在本文所讨论的模型中w=100, wv=10000, n=1000。

系统的参与者可以通过质押大量的Token成为出块者，一个出块者会被分配到Sw个分片上（如果Sw=40, 那么每个分片就会有Sw*w/n=4个出块者）。

Nightshade中按照Epoch的概念选择验证者和出块者的分片，出块者需要在Epoch开始前下载分片的状态，并在整个Epoch中处理分片上的交易。

对于每个分片，都有一个出块者来负责生成chunk（和该分片相关的交易列表），在最终的块里只会包含交易列表的merkle root而不会包含完整的交易列表。

同一个分片上的出块者会轮流出块，如上面描述的，每个分片上有4个出块者，则每个出块者隔4 个块就要产生一次chunk。

上文描述的分片方案中不同分片之间状态是完全隔离的，无法进行跨分片的交易。

举一个简单的例子，Alice想要转账给Bob，如果他们在同一个分片中，则交易可以正常处理。

但如果Alice和Bob在不同的分片，则每个分片的验证者都缺失了一部分状态，无法完成这笔交易的验证。

这种方式非常简单并且易于协作，Cosmos、 Ethereum serenity (以太坊 2.0)、Near、Kadena等都采用的异步方案。

区块链或分片的互操作性在分片以外的场景也非常重要。分片的场景下每个分片是同构的，且可以借助Beacon chain协调，所以跨分片的设计相比跨链会更容易一些。