目前而言，雖然走入現(xiàn)實技術(shù)和應(yīng)用的區(qū)塊鏈正慢慢被普羅大眾接受，但離其廣泛應(yīng)用顯然還有相當(dāng)一段長的路要走，這其中，最大的一個障礙就是區(qū)塊鏈本身的響應(yīng)速度問題。越來越多的商家開始接觸、了解并接受用比特幣和以太坊等虛擬貨幣支付進行交易的概念，但如果真要將虛擬貨幣當(dāng)成一種正規(guī)且通用的支付手段，并占據(jù)跨境交易市場，它的性能和相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)就需要達到Visa和Mastercard等這些人們早已習(xí)慣的傳統(tǒng)支付方式正面競爭的水平。

從現(xiàn)有的事實看，區(qū)塊鏈還太落后了。目前區(qū)塊鏈的性能還無法滿足這一要求，比特幣每秒只能處理不到10筆交易，以太坊哪怕在最高峰時每秒也只能處理不到40筆交易，相比之下，Visa每秒處理的交易可達2000~5000筆，差距顯而易見。

目前多個區(qū)塊鏈項目已經(jīng)在嘗試用不同手段解決區(qū)塊鏈的性能問題。以太坊提出了自己的擴容方案——以太坊2.0，但目前開發(fā)進度非常緩慢，擴容升級遙遙無期。在區(qū)塊鏈領(lǐng)域，為了提升性能，通常需要犧牲其安全性或去中心化程度，這就是大家常說并被廣為接受的區(qū)塊鏈“不可能三角”理論。分片技術(shù)作為最新的擴容方案，是唯一一個突破不可能三角的方向。區(qū)塊鏈的分片簡單來講，就是分而治之，將整個區(qū)塊鏈賬本橫向切分為更小的賬本。其實，傳統(tǒng)的中心化信息系統(tǒng)早已經(jīng)開始使用分片技術(shù)，但直到近期，這一技術(shù)才開始被區(qū)塊鏈?zhǔn)澜缢匾暋?/p>

Zilliqa可能是大家第一個想到的區(qū)塊鏈分片項目。被稱作“高性能公鏈”的Zilliqa在測試網(wǎng)中實現(xiàn)了2828筆比交易每秒（TPS）的速度。需要注意的是，在分片系統(tǒng)中，TPS交易速度（TPS）會隨節(jié)點數(shù)量的增加而增加，Zilliqa的這個TPS數(shù)值是在3600個節(jié)點中獲得的。在過去的一段時間里，除了Zilliqa還有一些新項目也在利用分片技術(shù)開發(fā)高性能區(qū)塊鏈。其中最令人期待的項目之一便是在過去一年里潛心開發(fā)的公鏈Harmony。作為下一代的開放式高性能公鏈，Harmony的愿景是無縫鏈接數(shù)十億人的經(jīng)濟運轉(zhuǎn)。為了達到這個目標(biāo)，Harmony在區(qū)塊鏈協(xié)議層、網(wǎng)絡(luò)層和系統(tǒng)層都做了大量創(chuàng)新。

是什么讓Harmony團隊在眾多公鏈項目中脫穎而出？讓我們來深度剖析一下Harmony與Zilliqa等項目到底有何不同。

State Sharding狀態(tài)分片技術(shù)

盡管都是打著分片技術(shù)的期號，但Harmony和Zilliqa的分片技術(shù)顯然有所差異。Zilliqa僅對網(wǎng)絡(luò)和交易進行了分片，而Harmony則在這一基礎(chǔ)上，進一步對區(qū)塊鏈狀態(tài)進行了分片處理。簡而言之，Zilliqa是將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分到不同的分片，每個分片包含幾百個節(jié)點（即網(wǎng)絡(luò)分片），這使得不同的交易可以被各分片同時處理（即交易分片）。然而，為了能夠處理跨片交易，每個分片的每個節(jié)點都需要存儲區(qū)塊鏈的整個賬本數(shù)據(jù)，這使得某些性能差的節(jié)點無法參加到網(wǎng)絡(luò)中，進而減弱去中心化。

相比之下，Harmony對區(qū)塊鏈的賬本數(shù)據(jù)也做了進行了分片處理（即狀態(tài)分片），團隊將這種在分片技術(shù)中各方面突破的總和方案命名為“深度分片”。深度分片，是包括對網(wǎng)絡(luò)、交易和狀態(tài)的多層分片，同時在網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中，利用糾刪碼技術(shù)對區(qū)塊數(shù)據(jù)進行分片，使廣播者的網(wǎng)絡(luò)壓力很小，再加上引入Kademlia路由協(xié)議，讓區(qū)塊數(shù)據(jù)能通過最短路徑傳輸?shù)侥康牡兀诖嘶A(chǔ)上，還可以允許小節(jié)點的加入，最大限度地保證了去中心化程度。

PBFT Consensus Mechanism/PBFT共識機制

Zilliqa的共識機制被稱為PBFT（實用拜占庭容錯）協(xié)議。在這一協(xié)議里，一個節(jié)點被選為“領(lǐng)導(dǎo)者”，其余節(jié)點作為“驗證者”。每一次共識過程包括兩個階段：prepare（準(zhǔn)備）和commit（確認）。在每個階段，領(lǐng)導(dǎo)者向所有驗證者廣播一個提議，所有驗證者收到提議后，再反過來將自己的投票意見廣播給其他人，最后每個驗證者都要計算所有收到的其他投票。這個過程導(dǎo)致總消息復(fù)雜度為O（n*n），這里n是總節(jié)點數(shù)。通過簡單的計算可知，這種算法在幾百個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中并不實用。

Harmony 在 PBFT 算法的基礎(chǔ)上進行了大量改良，創(chuàng)造出FBFT算法（快速拜占庭算法）。在這個新的算法中，驗證者不用廣播他們的投票，只需通過數(shù)字簽名的方式把投票發(fā)給領(lǐng)導(dǎo)者即可，領(lǐng)導(dǎo)者把收到的數(shù)字簽名合成為一個數(shù)據(jù)量位O（1）的多重簽名，再廣播出去，這使得整個共識過程的消息復(fù)雜度從O（n*n）驟降到O（n）。

此外，驗證者的選取是通過PoS抵押代幣的機制完成的，想要成為驗證者的節(jié)點需要抵押一定數(shù)量的代幣才有權(quán)參與共識。PoS相比于PoW有節(jié)能高效的特點，在這點上，基于PoS的Harmony要比基于PoW的Zilliqa具有更多優(yōu)勢。抵押代幣越多的節(jié)點，被選為領(lǐng)導(dǎo)者的幾率越大，但恰恰因為抵押代幣越多，他們才不會輕易作惡，因為一旦被網(wǎng)絡(luò)檢查到，他們的抵押代幣將會被全部沒收。

Distributed Randomness Generation/分布式隨機數(shù)生成

分片區(qū)塊鏈系統(tǒng)通常需要一個隨機的節(jié)點分配過程，目的是避免單一分片受到攻擊。這就需要生成一個隨機數(shù)來實現(xiàn)隨機的分片過程。隨機數(shù)本身需要具有完全不可預(yù)測，不可干擾的特性，這樣惡意節(jié)點就無法知道它將被分配到哪個分片。此外，這個隨機數(shù)的產(chǎn)生過程還需要快速并且可驗證。

在這個問題上，我們先看看Harmony白皮書里提到的其他幾個分片項目方案的做法。項目Omniledger采用的分布式隨機數(shù)產(chǎn)生協(xié)議叫RandHound，協(xié)議中會把所有參與的節(jié)點劃分成若干組，我們以c代表組數(shù)。這個協(xié)議的弱點在于它的復(fù)雜度為O（n*c*c），對于節(jié)點眾多的區(qū)塊鏈系統(tǒng)來說，如此高的復(fù)雜度會使協(xié)議速度極慢。RapidChain作為比Omniledger更新的分片項目設(shè)計，采用了基于Verifiable Secret Sharing（VSS）的分布式隨機數(shù)產(chǎn)生協(xié)議。雖然這個協(xié)議比RandHound快很多，但它并不安全，容易受到攻擊者的干擾和阻礙。大家熟知的項目Algorand用到了Verifiable Random Function（VRF）作為隨機數(shù)，雖然它是基于密碼學(xué)里重要的技術(shù)，但它不是分布式的協(xié)議，任何單一節(jié)點都可以獨自完成隨機數(shù)過程。最后以太坊2.0采用了Verifiable Delay Function（VDF）的最新技術(shù)，可以大大提高分布式隨機數(shù)協(xié)議的安全性。

有了信標(biāo)鏈的保護，攻擊者必須同時攻陷分片鏈和信標(biāo)鏈才有可能進行雙花攻擊。不止如此，由于信標(biāo)鏈在分片鏈區(qū)塊頭的廣播中起到了中樞的作用，所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)開銷僅為O（n）的量級。設(shè)想一下，如果沒有信標(biāo)鏈的幫助，每個分片都需要分別廣播它的區(qū)塊頭，那么總體網(wǎng)絡(luò)開銷將是O（n*n），這極有可能造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，而通過信標(biāo)鏈，Harmony則巧妙地避免了這個問題。

Parting Thoughts/總結(jié)

可以看出，Harmony愿景遠大，而一個遠大宏大的愿景是成功改變世界的起點開始。在測試網(wǎng)中，Harmony利用44，000個節(jié)點跑出了驚人的118，000TPS的數(shù)據(jù)。誠然，好的技術(shù)也需要有好的落地場景和市場來檢驗，Harmony團隊在市場開發(fā)這方面也毫不遜色，相信他們會在不久的將來開拓出自己的市場。除此之外更重要的是，Harmony是一個關(guān)注社群建設(shè)的項目，他們的開發(fā)者一直在Telegram和Discord上積極回答社群問題，并聽取建議。