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世链财经|SCDO首席架构师Ava Xu:关于SCDO公链技术分享

摘要:为满足工作量找寻最优解,随机矩阵指标值需大于目标值且具备优质概率分布。

SCDO公链技术分享
10月20日,由Aastro Network和世链财经联合主办,SCDO独家冠名的世界数字经济应用高峰论坛在深圳隆重举行。本次大会世链财经有幸邀请到SCDO首席架构师Ava Xu作为特邀嘉宾,发表主题为“SCDO公链技术分享”的精彩演讲,详细阐述SCDO公链技术由来、特色及发展。
 
以下为现场演讲实录,世链财经编辑整理:
 
Ava Xu:大家好,很高兴能够在此与大家分享SCDO公链技术。首先SCDO定义为一个“安全、‍‍可靠、‍‍高效‍‍和去中心化”的开源区块链系统,SCDO公链具有共识、分片、子链‍‍和智能合约四大关键点,其中前三点便是SCDO创新点。
 
第一点共识,即是提供“独创CPU友好型共识算法”,同时也叫“ZPoW工作量证明共识算法”,它的设计特点主要针对CPU友好、去中心化、抗算力垄断方向。第二点分片,即是提供“可按需扩展分片技术”,支持SCDO按照应用要求进行扩展,从而实现由分片增长带动TPS线性增长。第三点子链,即是提供“STEM子链协议”,支持各类同构或异构子链应用。最后一点智能合约,通过兼容以太坊智能合约提升应用移植及迁移便捷性。
 
如上图所示《SCDO公链总体架构》可知,SCDO主网核心由ZPoW共识机制、分片扩展及智能合约三者构成,周围即是二层拓展的SCDO子链,支持涵盖PoS、PoA、PBFT、DPOS在内的各种共识,同时用户也可根据应用需求自定义共识机制。此外,基于‍‍SCDO主网开发面向用户区块浏览器、钱包应用及面向开发者SDK。接下来我将专注于SCDO创新点,重点介绍共识、分片及子链三大技术。
 
首先,作为SCDO第一个创新点“ZPoW工作量证明共识”,主要分为设计和实现两个阶段。第一阶段旨在降低哈希计算比重,将计算量主要放在随机数生成及矩阵科学计算部分,这一阶段仍属于单算法共识。第二阶段则属于多算法混合共识,针对多算法进行动态难度调节,旨在避免同一算法连续出块导致某一算法出现算力垄断及攻击。
 
其中ZPoW第一阶段内,区别于传统PoW共识算法包括Bitcoin在内均着重于哈希计算,ZPoW工作量证明共识则希望降低哈希计算比重,使其计算量主要体现在随机数生成及矩阵科学计算部分,主要过程包含生成900个随机数矩阵及对该矩阵进行科学计算,同时为满足工作量找寻最优解,随机矩阵指标值需大于目标值且具备优质概率分布。

如上图所示,ZPoW第一阶段算法将根据区块计算希值作为随机矩阵生成种子,依靠SCDO改进版随机数生成器,串行生成包含900个元素在内的随机矩阵,通过科学计算该随机矩阵得到指标值,以此寻找满足指标值大于目标值的随机矩阵,这便是ZPoW工作量证明共识算法主要过程。
 
基于该过程下ZPoW算法能够具备何种优势?首先是对CPU友好。ZPoW算法着重设计矩阵生成串行机制,使其难以使用GPU进行高效并行计算。同时由于哈希计算比重较低,导致市场ASIC 矿机并不适用。受限于算法复杂因素,ASIC设计难度大幅上升。此外,通过测试发现,ZPoW算法处于不同难度时,求解需要的迭代次数以及所寻目标值均符合预期目标函数概率分布。
 
那么ZPoW第二阶段内,“混合PoW算法”核心思想便是不再仅限于单一算法,而是发展多种算法可能性,同时根据各算法最近出块历史对算法出块难度进行动态倾斜调整。如下图所示难度多边形中,算法A及算法D出块数量较多,相应难度值则偏高;反观算法C及算法E出块数量较少,相应难度值则会调低,以此保持整体算法动态平衡。
目前ZPoW包含多种共识算法,无法确定矿工最终会选择何种算法进行挖矿,但为了避免发生单一算力垄断现象,ZPoW将利用博弈原理设计,引入预计算证明,鼓励矿工专攻某一算法,以此达到多算法难度调整。
 
接下来,作为SCDO第二个创新点“分片”究竟有什么优势?众所周知,当前公链处理交易速度非常受限,尤其是以太坊可能每秒仅处理20笔交易,比特币每秒仅处理7笔交易,这样的公链性能远远无法满足实际应用需求。如何解决公链处理速度难点,SCDO提出两种增速方案,垂直增速及水平增速。
 
其中垂直增速即是提高链上性能,增加单链出块速度,促使打包交易量增多。实际上性能、可靠与扩容三者属于平衡关系,由于区块链系统底层采用P2P网络进行数据传输,倘若单链出块速度过高,P2P网络无法及时同步和验证数据,或将导致网络出现更多不一致性。因此仅靠单链提升性能存在一定瓶颈。
 
反观水平增速则是横向扩展,假设将单链理解为“单通道”,交易量增多会导致通道发生堵塞,此时便可通过增加“多通道”进行缓解。并且由于不同通道间本身存在交互关系,以此产生的“多通道交互网络”就是SCDO分片形态。而基于PoW机制下“提出块—寻找共识解—验证块信息—“确认”上链—合并软分叉(块永久上链)”的数据打包流程却导致跨片交易难以实现。
 
其中首要难点便是一个分片节点如何去验证来自其他分片交易,此类跨片交易可称之为“债务”。最直观的办法就是将其他分片数据同步到一个分片(主链)内,但是同步所有数据也意味着整个网络分片没有意义。因此SCDO采用“主链+轻链”数据存储方式,即每个分片节点只维持本片全部完整信息,对于其他分片而言,仅同步数据量极小的区块头哈希值,大大加快网络处理效率。
 
当验证难点解决后,第二个难点便是如何处理交易发起分片“软分叉”所造成数据不一致性。‍如下图所示‍,‍‍当分片2到分片1有一笔转账发生,此时分片1根据轻链数据进行验证后分片2完成入账,‍‍但由于发起分片2出现一个软分叉,导致发起交易在软分叉上被合并,‍‍造成数据不一致。因此SCDO采用解决方案是令债务数据等待一段时间,‍‍确保发起分片软分叉完成合并且区块链保持一致后再进行分片验证,保证跨片交易不会因软分叉产生数据错误。
 
整体处理流程如下:假设分片1账户Alice向分片2账户Dave发送一笔交易,分片1节点接收到交易后,扣除Alice交易金额,打包该交易进入块,存入分片1中,等待一定时间后,向分片2节点发送一笔债务交易;分片2节点接收到债务交易后,向分片1节点发送该交易验证请求,得到该交易区块头哈希值,将其与自身本地同步轻链记录哈希值进行比对,如果一致则增加Dave账户余额,并打包该笔债务到区块内。
 
综上所述,分片实现方式便是令一个分片维持其他‍‍分片轻链,跨片交易则需要经过特定长度的区块高度才会被记录,且分片数量可以按需增加,实现“按需扩容”。
 
最后,作为SCDO第三个创新点“Stem子链协议”,其核心优势包含为主链提供最大化扩展性,其异构子链可选共识并支持智能合约、应用定制;子链“呼吸式”与主链交互进行背书保障子链安全性;同时提供安全退出机制。
 
其中Stem子链协议设计主要包含以下4个方面,即模块、角色、安全机制、经济模型。首先是子链模块,分别由主链、子链、用户界面和智能合约组成;其次是子链角色,分为子链管理者、监督者和普通用户三类;再者是安全机制,包括主链背书、安全退出及押金方式;最后是经济模型,分为激励模型、资产互换和流动性提供三种,可根据用户对子链需求进行定制。
如上图所示,子链可定制模块主要涵盖四个维度。比如子链共识定制,可提供PoS、PoA、PBFT、DPOS支持用户按需选择;安全机制定制,可区分何种状态背书、何种退出方式、何种押金等;同时使用SCDO工具创造子链过程也非常简单,用户首先完成子链配置,其次创建对应Stem智能合约,待创建者在合约内抵押SCDO保证金后,子链即可正式运行。
 
此外,Stem子链协议作为layer2扩展,相较于主流layer2方案,Stem子链协议所采用余额模型Account,其灵活性与安全性比闪电网络和Plasma更高,可见Stem子链协议性能优势。以上就是我与大家分享的全部内容,谢谢。
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