目前而言，虽然走入现实技术和应用的区块链正慢慢被普罗大众接受，但离其广泛应用显然还有相当一段长的路要走，这其中，最大的一个障碍就是区块链本身的响应速度问题。越来越多的商家开始接触、了解并接受用比特币和以太坊等虚拟货币支付进行交易的概念，但如果真要将虚拟货币当成一种正规且通用的支付手段，并占据跨境交易市场，它的性能和相应的技术基础就需要达到Visa和Mastercard等这些人们早已习惯的传统支付方式正面竞争的水平。
从现有的事实看，区块链还太落后了。目前区块链的性能还无法满足这一要求，比特币每秒只能处理不到10笔交易，以太坊哪怕在最高峰时每秒也只能处理不到40笔交易，相比之下，Visa每秒处理的交易可达2000~5000笔，差距显而易见。
目前多个区块链项目已经在尝试用不同手段解决区块链的性能问题。以太坊提出了自己的扩容方案——以太坊2.0，但目前开发进度非常缓慢，扩容升级遥遥无期。在区块链领域，为了提升性能，通常需要牺牲其安全性或去中心化程度，这就是大家常说并被广为接受的区块链“不可能三角”理论。分片技术作为最新的扩容方案，是唯一一个突破不可能三角的方向。区块链的分片简单来讲，就是分而治之，将整个区块链账本横向切分为更小的账本。其实，传统的中心化信息系统早已经开始使用分片技术，但直到近期，这一技术才开始被区块链世界所重视。
Zilliqa可能是大家第一个想到的区块链分片项目。被称作“高性能公链”的Zilliqa在测试网中实现了2828笔比交易每秒（TPS）的速度。需要注意的是，在分片系统中，TPS交易速度（TPS）会随节点数量的增加而增加，Zilliqa的这个TPS数值是在3600个节点中获得的。在过去的一段时间里，除了Zilliqa还有一些新项目也在利用分片技术开发高性能区块链。其中最令人期待的项目之一便是在过去一年里潜心开发的公链Harmony。作为下一代的开放式高性能公链，Harmony的愿景是无缝链接数十亿人的经济运转。为了达到这个目标，Harmony在区块链协议层、网络层和系统层都做了大量创新。
是什么让Harmony团队在众多公链项目中脱颖而出？让我们来深度剖析一下Harmony与Zilliqa等项目到底有何不同。
State Sharding状态分片技术
尽管都是打着分片技术的期号，但Harmony和Zilliqa的分片技术显然有所差异。Zilliqa仅对网络和交易进行了分片，而Harmony则在这一基础上，进一步对区块链状态进行了分片处理。简而言之，Zilliqa是将网络节点分到不同的分片，每个分片包含几百个节点(即网络分片），这使得不同的交易可以被各分片同时处理（即交易分片）。然而，为了能够处理跨片交易，每个分片的每个节点都需要存储区块链的整个账本数据，这使得某些性能差的节点无法参加到网络中，进而减弱去中心化。
相比之下，Harmony对区块链的账本数据也做了进行了分片处理（即状态分片），团队将这种在分片技术中各方面突破的总和方案命名为“深度分片”。深度分片，是包括对网络、交易和状态的多层分片，同时在网络层的数据传输协议中，利用纠删码技术对区块数据进行分片，使广播者的网络压力很小，再加上引入Kademlia路由协议，让区块数据能通过最短路径传输到目的地，在此基础上，还可以允许小节点的加入，最大限度地保证了去中心化程度。
PBFT Consensus Mechanism/PBFT共识机制
Zilliqa的共识机制被称为PBFT(实用拜占庭容错）协议。在这一协议里，一个节点被选为“领导者”，其余节点作为“验证者”。每一次共识过程包括两个阶段：prepare（准备）和commit（确认）。在每个阶段，领导者向所有验证者广播一个提议，所有验证者收到提议后，再反过来将自己的投票意见广播给其他人，最后每个验证者都要计算所有收到的其他投票。这个过程导致总消息复杂度为O(n*n)，这里n是总节点数。通过简单的计算可知，这种算法在几百个节点的网络中并不实用。
Harmony 在 PBFT 算法的基础上进行了大量改良，创造出FBFT算法（快速拜占庭算法）。在这个新的算法中，验证者不用广播他们的投票，只需通过数字签名的方式把投票发给领导者即可，领导者把收到的数字签名合成为一个数据量位O(1)的多重签名，再广播出去，这使得整个共识过程的消息复杂度从O(n*n)骤降到O(n)。
此外，验证者的选取是通过PoS抵押代币的机制完成的，想要成为验证者的节点需要抵押一定数量的代币才有权参与共识。PoS相比于PoW有节能高效的特点，在这点上，基于PoS的Harmony要比基于PoW的Zilliqa具有更多优势。抵押代币越多的节点，被选为领导者的几率越大，但恰恰因为抵押代币越多，他们才不会轻易作恶，因为一旦被网络检查到，他们的抵押代币将会被全部没收。
Distributed Randomness Generation/分布式随机数生成
分片区块链系统通常需要一个随机的节点分配过程，目的是避免单一分片受到攻击。这就需要生成一个随机数来实现随机的分片过程。随机数本身需要具有完全不可预测，不可干扰的特性，这样恶意节点就无法知道它将被分配到哪个分片。此外，这个随机数的产生过程还需要快速并且可验证。
在这个问题上，我们先看看Harmony白皮书里提到的其他几个分片项目方案的做法。项目Omniledger采用的分布式随机数产生协议叫RandHound，协议中会把所有参与的节点划分成若干组，我们以c代表组数。这个协议的弱点在于它的复杂度为O(n*c*c)，对于节点众多的区块链系统来说，如此高的复杂度会使协议速度极慢。RapidChain作为比Omniledger更新的分片项目设计，采用了基于Verifiable Secret Sharing(VSS)的分布式随机数产生协议。虽然这个协议比RandHound快很多，但它并不安全，容易受到攻击者的干扰和阻碍。大家熟知的项目Algorand用到了Verifiable Random Function(VRF)作为随机数，虽然它是基于密码学里重要的技术，但它不是分布式的协议，任何单一节点都可以独自完成随机数过程。最后以太坊2.0采用了Verifiable Delay Function(VDF)的最新技术，可以大大提高分布式随机数协议的安全性。
有了信标链的保护，攻击者必须同时攻陷分片链和信标链才有可能进行双花攻击。不止如此，由于信标链在分片链区块头的广播中起到了中枢的作用，所导致的网络开销仅为O(n)的量级。设想一下，如果没有信标链的帮助，每个分片都需要分别广播它的区块头，那么总体网络开销将是O(n*n)，这极有可能造成网络阻塞，而通过信标链，Harmony则巧妙地避免了这个问题。
Parting Thoughts/总结
可以看出，Harmony愿景远大，而一个远大宏大的愿景是成功改变世界的起点开始。在测试网中，Harmony利用44,000个节点跑出了惊人的118,000TPS的数据。诚然，好的技术也需要有好的落地场景和市场来检验，Harmony团队在市场开发这方面也毫不逊色，相信他们会在不久的将来开拓出自己的市场。除此之外更重要的是，Harmony是一个关注社群建设的项目，他们的开发者一直在Telegram和Discord上积极回答社群问题，并听取建议。
相关文章
头条焦点
精彩导读