区块链多链架构设计原理

术语介绍

• Validator – 主链/子链共识系统的参与者。通过存50000BU到主链中就能成为一名验证者。
• Active validator set - 那些当前正在参与的验证者以及寻求产生以及证明区块，跨链路和其他共识对象的验证者。
• Committee - 从活跃验证者集合中（伪）随机抽样的子集。当一个委员会被集体提及时，如“该委员会证明X”，这种假定为“该委员会的某个子集包含足够的验证者，该协议承认其代表委员会”。
• Proposer -  创建一个区块的验证者
• Attester -在区块上签名的委员会中的一名验证者
• Main chain – 主链是分片系统的基础
• Shard chain - 进行交易和存储账户数据的链之一
• Observer client -监控分片并存储指定分片的全数据以及主链的全状态
• Stateless Client -提供state root
• Crosslink -  来自委员会的一组签名，证明一个块在子链中，（签名）可以包含在主中。Crosslink 是主链“了解”子链更新状态的主要手段。
• Slot - 长10秒的时间段，在此期间，一个提议人能够创建一个区块，一些证明人可以进行证明
• Dynasty transition - 验证节点集的变更
• Dynasty - 创世以来在特定链中发生代迁移的数量
• Cycle -一个多区块跨度，在此期间，所有验证人都只有一次机会进行证明（除非在验证人内部发生代迁移）

• 常量

• SHARD_COUNT - 代表分片数量的常数，目前设置为1024
• DEPOSIT_SIZE – 50000BU
• MAX_VALIDATOR_COUNT – 50000*217 
• GENESIS_TIME – 信标链的启动时间 (slot 0) 以秒为单位在Unix 周期中
• SLOT_DURATION – 10 seconds
• CYCLE_LENGTH - 64 slots
• MIN_DYNASTY_LENGTH - 1024 slots
• MIN_COMMITTEE_SIZE - 128

层次设计

多链一共分为3层，链管理层SMC，通过一个合约SMC管理验证节点押金，验证节点随机抽样等；Date为具体的交易数据层，各个子链分别维护各个子链的全状态数据和主链的全状态；state层主要是交易的产生层，也可以说是智能合约的执行层。

基本的分片结构

假如一台计算机的处理能力为C笔交易，主链节点能观察C条子链，则整个系统能处理C*C笔交易。

多链系统中的大多数用户都会运行两部分程序。

(i) 一个在主链上的全节点（需要 O(c) 资源）或轻量节点（需要 O(log(c)) 资源）。

(ii) 一个通过 RPC 与主链交互的“子链客户端”（由于这个客户端同样运行在当前用户的计算机中，所以它被认为是可信的）；它也可以作为任意子链的轻客户端、作为特定子链的全客户端（用户需要指定他们正在“监视”某个特定的子链），或者作为一个验证器节点。在这些情况下，一个子链客户端的存储和计算需求也将不会超过 O(c) （除非用户指定他们正在监视 每个 子链；区块浏览器和大型的交易所可能会这么做）。

 

3.3.3主链和子链的职责

主链的作用是生成随机数，保存验证节点相关信息，管理验证节点，追踪子链区块，子链的作用是处理交易，存储账户合约的状态。在本文中，术语 ShardBlock被用来与 Block（区块）相区别，因为： (i) 它们是不同的 RLP（Recursive Length Prefix）对象：交易是第 0 层的对象，ShardBlock是用来打包交易的第一层的对象，而 block 则是用来打包 ShardBlock（header）的第二层的对象； (ii) 在子链的情景中这更加清晰。通常，ShardBlock必须由ShardBlockHeader 和 TransactionList（交易列表）组成；

Main Chain主链	Shard Chain子链
生成随机数	处理交易
保存验证节点相关信息，管理验证节点，追踪子链区块	存储账户/合约的状态
Block	ShardBlock
BlockHeader	ShardBlockHeader
Block Proposer	ShardBlock Proposer

 

多链架构图

 

从架构图中我们可以看出具体的架构设计可以划分为4个层次，主链、子链、合约的执行处理、应用层。每个层次间的交互以及每个模块间的交互都采用BU通信协议（P2p、RPC、json、http）

本协议中，有中央MainChain链用来存储并管理当前有效验证人集。在当前主链发送含有50000的交易才可成为初始验证人。交易发送完毕，到MainChain链处理该区块时，交易发送人进入验证人排序阶段并最终成为有效（活跃）验证人，直至自愿注销或因不当行为被强行注销。

子链上的主要负载源是证明（attestations）。一个证明具有双重作用：

1. 证实主链中的某个父块

2. 证实子链中的区块哈希（足够数量的此类证明创造了“交联（crosslink）”，确认分片区块到主链中）。

每个子链（比方说，总共1024个子链）本身就是一条链，作存储交易和帐户用。交联一则用于将子链“确认”进主链，二则也是不同子链间能够彼此通讯的主要方式。或者，还可以想象个更简单的“最小子链算法”，其中交联就是提出数据块的哈希，这些数据块本身彼此互不链接。

主链变更

本子链协议可单独于现有MainChain主链实施。只需再主链中作出如下修改，其中第二个变更非技术必须。

在MainChain主链上增加合约；该合约支持存入DEPOSIT_SIZE的ETH；deposit函数以：

(i)pubkey(字节)，

(ii)withdrawal_shard_id(int)，

(iii)withdrawal_addr(地址)，

(iv)randao_commitment(32字节)，

(v)bls_proof_of_possession 为参数

从交入押金到成为一个验证的流程：

 

MainChain是整个orbit系统的“主链”。主要职责为：

存储并维护活跃、等待中以及退出的验证人集

处理交联（见上文）

处理自己链上的逐块共识

以下为进入每个信标链区块的字段：

fields = {

    # Hash of the parent block

    'parent_hash': 'hash32',

    # Slot number (for the PoS mechanism)

    'slot_number': 'int64',

    # Randao commitment reveal

    'randao_reveal': 'hash32',

    # Attestations

    'attestations': [AttestationRecord],

    # Reference to bumo chain block

    'bu_chain_ref': 'hash32',

    # Hash of the active state

    'active_state_root': 'hash32',

    # Hash of the crystallized state

    'crystallized_state_root': 'hash32',

}

主链状态分为活跃状态和结晶状态两种。

以下为活跃状态/ActiveState:

fields = {

    # Attestations that have not yet been processed

    'pending_attestations': [AttestationRecord],

    # Most recent 2 * CYCLE_LENGTH block hashes, older to newer

    'recent_block_hashes': ['hash32']

}

以下为结晶状态/CrystallizedState:

fields = {

    # List of validators

    'validators': [ValidatorRecord],

    # Last CrystallizedState recalculation

    'last_state_recalc': 'int64',

    # What active validators are part of the attester set

    # at what slot, and in what shard. Starts at slot

    # last_state_recalc - CYCLE_LENGTH

    'shard_and_committee_for_slots': [[ShardAndCommittee]],

    # The last justified slot

    'last_justified_slot': 'int64',

    # Number of consecutive justified slots ending at this one

    'justified_streak': 'int64',

    # The last finalized slot

    'last_finalized_slot': 'int64',

    # The current dynasty

    'current_dynasty': 'int64',

    # Records about the most recent crosslink `for each shard

    'crosslink_records': [CrosslinkRecord],

    # Used to select the committees for each shard

    'dynasty_seed': 'hash32',

    # Start of the current dynasty

    'dynasty_start': 'int64'

}

ShardAndCommittee对象的形式

fields = {

    # The shard ID

    'shard_id': 'int16',

    # Validator indices

    'committee': ['int24']

}

每个ValidatorRecord都是包含验证人信息的对象：

fields = {

    # The validator's public key

    'pubkey': 'int256',

    # What shard the validator's balance will be sent to

    # after withdrawal

    'withdrawal_shard': 'int16',

    # And what address

    'withdrawal_address': 'address',

    # The validator's current RANDAO MainChaincommitment

    'randao_commitment': 'hash32',

    # Current balance

    'balance': 'int128',

    # Dynasty where the validator  is inducted

    'start_dynasty': 'int64',

    # Dynasty where the validator leaves

    'end_dynasty': 'int64'

}

CrosslinkRecord包含待提交至区块链的上一个完整交联信息：

fields = {

    # What dynasty the crosslink was submitted in

    'dynasty': 'int64',

    # What slot

    'slot': 'int64',

    # The block hash

    'hash': 'hash32'

}

MainChain主链处理

处理MainChain链与处理bu1.0链在很多方面非常类似。客户端下载并处理区块，维护当前“规范链”，终止于当前的“头部”。但是，由于主链链与现有bu1.0链的关系，并且本身是一个多链的架构，所以（处理）也存在一定的差异。

由节点处理的MainChain链区块，必须满足三个条件：

parent_hash指向的父区块已被处理并认可

pow_chain_ref指向的bu1.0链区块已被处理并认可

节点的本地时钟时间大于或等于GENESIS_TIME + slot_number * SLOT_DURATION计算得出的最小时间戳

未满足这三个条件时，客户端应延迟处理区块，直至三个条件都满足。

客户端只在需要创建区块时检查其认为是规范链的链，并查找其时隙号；时隙到达时，按要求提议或证实区块。

以下为工作原理的例子：

     

MainChain状态迁移函数

现在定义下状态迁移函数。设置层面，状态迁移由两部分组成：

1. 结晶状态重算，仅在block.slot_number> = last_state_recalc + CYCLE_LENGTH时发生，且影响CrystallizedState和ActiveState

2. 每块处理，即每个区块都发生（结晶状态重算区块期间时，（每块处理）待结晶状态重算之后发生），且仅影响ActiveState

结晶状态重算通常关注验证人集的变更，包括调整余额、添加删除验证人以及处理交联和管理区块合理（block justification）；每块处理通常关注验证聚合签名并保存ActiveState中区块内活动相关的临时记录。

辅助函数

先来定义一些辅助算法。首先，选择活跃验证人的函数：

def get_active_validator_indices(validators, dynasty):

    o = []

    for i in range(len(validators)):

        if validators[i].start_dynasty <= dynasty <

                validators[i].end_dynasty:

            o.append(i)

    return o

然后是置乱该列表的函数：

def shuffle(lst, seed):

    assert len(lst) <= 16777216

    o = [x for x in lst]

    source = seed

    i = 0

    while i < len(lst):

        source = blake(source)

        for pos in range(0, 30, 3):

            m = int.from_bytes(source[pos:pos+3], 'big')

            remaining = len(lst) - i

            if remaining == 0:

                break

            rand_max = 16777216 - 16777216 % remaining

            if m < rand_max:

                replacement_pos = (m % remaining) + i

                o[i], o[replacement_pos] = o[replacement_pos], o[i]

                i += 1

    return o

以下为将列表分成N份的函数：

def split(lst, N):

    return [lst[len(lst)*i//N: len(lst)*(i+1)//N] for i in range(N)]

合并上述函数，就是辅助函数了：

def get_new_shuffling(seed, validators, dynasty, crosslinking_start_shard):

    avs = get_active_validator_indices(validators, dynasty)

    if len(avs) >= CYCLE_LENGTH * MIN_COMMITTEE_SIZE:

        committees_per_slot = len(avs) // CYCLE_LENGTH // (MIN_COMMITTEE_SIZE * 2) + 1

        slots_per_committee = 1

    else:

        committees_per_slot = 1

        slots_per_committee = 1

        while len(avs) * slots_per_committee < CYCLE_LENGTH * MIN_COMMITTEE_SIZE

                and slots_per_committee < CYCLE_LENGTH:

            slots_per_committee *= 2

    o = []

    for i, slot_indices in enumerate(split(shuffle(avs, seed), CYCLE_LENGTH)):

        shard_indices = split(slot_indices, committees_per_slot)

        shard_id_start = crosslinking_start_shard +

            i * committees_per_slot // slots_per_committee

        o.append([ShardAndCommittee(

            shard_id = (shard_id_start + j) % SHARD_COUNT,

            committee = indices

        ) for j, indices in enumerate(shard_indices)])

    return o

 

用图片表示下原理：