区块链原理与应用 课件 第10章 区块链扩展技术

区块链技术简介区块链面临的两项核心挑战性能瓶颈Bitcoin：约7笔交易/秒Ethereum：约十几笔交易/秒公有链性能远低于传统中心化系统隐私保护交易需要由共识节点公开验证数据通常全网可见交易分析可能导致用户去匿名化面对应用的业务需求，如何解决这两个问题？性能瓶颈及优化层次核心性能指标：吞吐率吞吐率表示区块链每秒能够处理的交易数量。层次主要瓶颈优化方向网络层Gossip延迟大、传播消息冗余高优化扩散算法与拓扑共识层出块间隔大、区块容量有限DAG、分片、并行共识计算层存储数据量大与计算复杂度高侧链、链下计算、Rollup网络层性能扩展P2P网络的局限消息通过Gossip机制传播，消息传播顺序不可控重复传播浪费网络带宽随机拓扑可能导致转发跳数过多，网络延迟将延长共识时间优化方法优先向消息获取较慢的“冷节点”传播减少重复消息转发优化P2P网络拓扑降低传播层级和传输延迟共识层与计算层扩展共识层Bitcoin-NG：缓解出块间隔限制DAG：允许多个区块并行产生和确认分片：不同节点组并行处理不同交易计算层闪电网络：在链下完成大量普通交易Rollup：链下执行，链上验证结果侧链：将不同应用分散到不同链区块链分片技术将交易和共识节点划分为多个分片，每个分片并行处理部分交易。分片内共识：处理单个分片中的交易跨分片共识：协调涉及多个分片的交易挑战节点分配的随机性与公平性跨分片交易的一致性和原子性分片动态更新及状态迁移优势并行处理交易降低单节点存储和计算压力吞吐率可随分片数量提升区块链分片技术将交易和共识节点划分为多个分片，每个分片并行处理部分交易。分片内共识：处理单个分片中的交易跨分片共识：协调涉及多个分片的交易组内共识组内共识组间共识分片1分片2ELASTICO协议Luu等人首次提出面向公有链的分片方案，结合PoW与拜占庭共识，吞吐率接近随节点数量线性增长。五个主要步骤共识节点分组分组结构生成组内共识最终共识随机数迭代ELASTICO——节点分组节点通过工作量证明进行注册：O=H(epochRandomness∥IP∥PK∥nonce)≤T哈希值最后

s

位决定节点所属分组系统一共产生

2s

个分组平均委员会规模：c=n⋅2−s

epochRandomness定期更新随机分组降低恶意节点控制单个分片的概率ELASTICO——共识流程分组结构生成最早完成计算的

cc个节点组成目录委员会后续节点仅向目录委员会发送分组信息通信复杂度由

O(n2)

降至

O(cn)组内共识每个分片运行BFT协议PBFT复杂度为

O(c2)HotStuff可降低至

O(c)最终共识最终委员会汇总各分片结果对有效分片结果再次执行共识ELASTICO的局限优点分片并行处理交易支持无许可环境通过随机分组提高安全性局限所有分片结果最终汇聚至最终委员会最终委员会需要处理全部交易数据容易形成新的性能瓶颈并非完全意义上的数据分片SharPer协议基本特征面向联盟链的许可式分片协议基于PBFT构造节点分组预先确定且不动态更新每个分组满足：n=3f+1，f

为可容忍的恶意节点数量。两类交易组内交易：由单一分片执行PBFT组间交易：由唯一主节点协调多个分片SharPer跨分片共识目标：保证交易原子性跨分片交易必须满足所有相关分片均确认交易；或所有相关分片均不确认交易执行过程主节点向相关分片广播交易每个分片执行第一轮投票主节点收集每组超过

2/3

的投票发起第二轮投票所有分片完成确认局限跨分片交易比例过高时，协议效率明显下降。RapidChain协议节点分组PoW完成身份注册参考委员会生成随机数节点随机分配至不同分片组内共识使用同步BFT协议容忍更高比例的恶意节点RapidChain协议组间共识将跨分片交易拆分为多个子交易子交易在不同分片并行处理分组更新每个Epoch仅替换部分节点保持数据可用性与共识连续性侧链技术基本思想在主链之外构建多个面向不同应用的独立区块链，通过协议实现数据和数字资产流通。与分片的区别分片：通过共识协议维护跨分片一致性侧链：通过特定交易和锚定机制连接不同区块链关键机制：双向挂钩主链资产锁定→侧链资产释放侧链资产锁定→主链资产释放侧链技术在主链之外构建多个面向不同应用的独立区块链，通过协议实现数据和数字资产流通。分片通过共识协议维护跨分片一致性，侧链通过特定交易和锚定机制连接不同区块链。主链侧链1侧链2资产锁定资产释放双向挂钩的安全要求原子性锁定和释放必须同时成功或同时失败所有权一致性资产必须释放至对应用户账户兑换公平性兑换比例应公开、确定且可验证三种实现方式中心化双向锚定分布式/联邦式双向锚定内生式双向锚定侧链实现方式中心化锚定依赖可信第三方，简单高效，与区块链去中心化目标冲突分布式锚定通过门限签名代替中心节点，安全性依赖诚实参与者比例，典型案例：Plasma内生式锚定主链和侧链原生支持跨链验证，可通过SPV验证对方链上的交易，典型系统：Cosmos、Polkadot闪电网络核心思想：将大量普通交易放到链下执行，仅在区块链上进行最终结算RSMC支付通道流程建立

2-of-2

多签账户双方注入质押资金链下更新余额分配关闭通道并在链上结算安全机制支持单方面关闭通道旧状态提交需要等待挑战期，使用旧交易状态将受到资金惩罚

闪电网络建立2-2多签账户，双方注入质押资金，将大量用户之间的普通交易放到链下执行，仅在区块链上进行最终结算。

区块链用户1用户2开通交易通道交易结算链下交易HTLC多跳支付使用场景：A与C没有直接支付通道，但存在A→B→C执行过程C生成随机数

r，并发送

H(r)A向B发起带哈希锁和时间锁的支付B使用相同条件向C支付C公开

r

领取资金B使用

r

领取A的资金性质全部支付成功，或全部超时取消，保证多跳支付的原子性链下汇总Rollup基本思想交易在链下执行执行结果提交至主链主链验证结果并更新状态两种主要类型ZK-Rollup：有效性证明，确认快、证明开销高OptimisticRollup：欺诈证明，执行简单、存在挑战期链下汇总Rollup交易在链下执行，执行结果提交至主链，主链验证结果并更新状态，两种主要类型ZK-Rollup，OptimisticRollup。区块链用户链下应用服务计算结果可验证上链ZK-Rollup与OptimisticRollupZK-Rollup链下虚拟机批量执行交易，生成新的状态根和零知识证明智能合约验证证明后更新状态ZK-SNARK证明长度固定，批处理越多，单笔证明成本越低OptimisticRollup默认链下结果正确，设置挑战期，发现错误可提交欺诈证明恶意执行者将被罚没质押资金依赖至少一个诚实验证者持续监督区块链隐私保护目标隐藏交易金额PedersenCommitment利用加法同态验证输入与输出平衡隐藏接收者使用一次性地址防止多个地址被关联至同一用户隐藏发送者环签名零知识证明环签名与可链接环签名环签名签名者从一组公钥中动态构造“环”验证者只能确认签名来自环中某个成员无法确定真正签名者可链接环签名可识别同一UTXO是否被重复花费不能识别具体签名者身份同时实现匿名性和双花检测零知识证明与ZerocashZerocash的两个阶段Mint：匿名货币铸造，生成随机数和序列号，创建货币承诺，将承诺加入默克尔树Pour：匿名货币流动，公开序列号防止双花，使用零知识证明证明货币有效，不公开原始承诺和用户身份核心优势隐藏发送者和接收者隐藏交易金额匿名集可覆盖所有参与者TEE在区块链中的应用解决的问题：传统智能合约需要所有共识节点重复执行，造成高冗余和低效率。TEE外包执行智能合约在TEE中执行TEE生成执行结果及证明共识节点验证证明无需重复执行全部计算效果：降低