图1: 实用拜占庭共识算法的时间线

一个叛徒节点会更改其收到的消息并将其发送到其他节点。检测叛徒节点的唯一方法是检查每一节点已收到的消息以及同一节点发出的转发消息。为此,实用拜占庭共识算法事实采用了一种充足状态,即每个节点都有每个其他节点在系统中的广播消息的操作的副本。

在图1中,在第一阶段(广播 broadcast block)节点A向节点B,C和D广播消息。在第二阶段 (cast vote),每个节点将投票(1或0)并将其投票发送到每个其他节点。在第三阶段 (forward vote),每个节点必须将它收到的所有投票内容发送给每个其他节点。在结束时,每个节点都知道每个其他节点所收到的每个其他节点投票内容。如此每个节点可以通过比较一个节点投票内容在每个节点是否一致。例如,节点A可以比较在节点A,C, 和D的节点B的投票内容是否一致。如果在C,A和D收到的B的投票不一致,则节点A可以确定节点B是叛徒节点。

在这种设计中,系统的充足状态包括每个节点接收的每个其他节点发送的所有投票内容。因此,拜占庭算法事实上使用了一种精心设计的充足状态,而使系统变成可观察。因此,拜占庭算法是具有可观察性的协议的一个例子。

相反的,ARP (address resolution protocol) 协议是一个没有可观察性的协议。ARP与拜占庭算法完全相反,因为它在任何地方(在交换机或集线器或节点中)都不存储充足状态。拜占庭算法是专为检测叛徒节点而设计的,而ARP的设计完全不考虑任何安全问题。因此,许多系统受到受到ARP欺骗或ARP中毒的伤害。在许多带有局域网系统的ITC项目中,ARP中毒一直是一个常见的问题,它给许多科技公司造成了延误和资金损失。

显然ARP设计师从未做过可观察性的分析。从控制理论而言,ARP的低性是能预见的。ARP问题很容易解决;只要在协议实现中添加一些状态。尽管修复很容易,但大多数公司不愿意投入资金来做这件事,因为第2层路由对他们来说并不是一个重要的痛点。

从可观察性到优良的链网

一旦理解了可观察性的重要性,我们可以运用可观察性来设计链网。让我们用金融区块链作为例子。对于金融交易应用,链网面临两大问题。第一是帐户的数据量可能很大,这将导致交易速度减慢。第二交易所交易的速度必须很快,但是处理大量的大数据量的帐户交易会增加延迟。如果想减少延迟,那么交易的吞吐量必须降低;如果想增加交易的吞吐量,那么延迟就会增加, 而似乎没有一个很好的权衡。

控制理论中通常将这种困境称为可控性和可观察性之间的权衡。如果我们花钱改善可观察性,那么控制变得简单;另一方面,如果系统状态的观察非常困难或异常昂贵,就应该花钱改善控制系统来实现控制目标。此外,控制理论也教导我们将控制执行器与观察(反馈)执行器分开。

根据控制理论的权衡技术,设计一个高吞吐量低延迟的金融交易链网并不难。一种方法是创建一种双链式架构,而把交易与账户分开。熊猫链网[4]就是使用双链式架构,由ABC(Account Blockchain,账户链)、TBC(Trading Blockchain,交易链)组成的。ABC链的目的是通过在存储设施中的大量帐户中存储大量数据来获得可观察性。通过双链式结构,ABC链存储帐户中的大数据量,使得TBC链能用少量数据来从事据低延迟的交易,这也使TBC获得高可控性,而ABC链获得可高观察性。

从控制理论的角度来看,ABC提供了系统充足状态,允许链网运营者能谨慎管理所有大数据量账户,并提供全面的账户服务质量。另一方面,TCP只配备必要且足够的账户信息来执行金融交易,使交易速度能达到最快。

图2显示了熊猫链网的双链式结构。

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图2: 熊猫链网结构图

从可观察性到链网的优良属性

现在我们来看可观察性如何帮助区块链的每个关键属性。可观察性如何提高区块链的基本属性:

性能(Performance):从熊猫链网示例中,可观察性极大地提高了链网络的性能如吞吐量和延迟。

安全和隐私性(Security and Privacy):通过关键数据的可观察性,系统可以轻松检测各样入侵和攻击。

可扩展性(Scalability):通过关键数据的可观察性,随着系统规模的增加,系统操作员或工程师可以轻松发现瓶颈和性能不佳。反之,不可观察的系统将很难调试和改进。

容错性(Fault-tolerance):从拜占庭共识算法来看,一个不可观察的系统会受到拜占庭错误的严重伤害。

可观察性如何提高链网的基本属性:

互通性(Interoperability):每个链的可观察性允许在两个不同链之间轻松转换信息,从而使互通性变得容易。事实上,信息和功能的不匹配是多个链相互操作的主要障碍。

可延伸性(Extensibility):可观察性允许系统操作员或工程师清晰地看到系统状态,因此当系统扩展时,将导致更少的错误。 可观察性还显示了每个链的限制,并允许系统操作员通过修改某些系统组件来扩展链。

可更改性(Modifiability):由於可观察性,当系统被修改时,系统操作员可以清楚地观察到状态的变化,并且能预测系统可能的后续行为。此外,通过可观察性,工程师更容易实验(通过模拟或小规模测试)新的修改而不会实际损害真实的系统。

可复制性(Duplicability):可观察系统具有干净的设计,允许以逻辑和组件方式完成任何复制。通过这种方式,能以部分和逻辑的方式完成复制,从而避免复制中不必要的重复和错误。

可管理性(Manageability) :由於操作员或工程师可清楚地看到系统状态,可观察系统易于管理。在多级别管理系统中,较高级别节点比低级别节点有更高的可见性。在可观察的系统中,这种管理功能容易实现。如果没有可观察性,就很难根据级别和职责来管理每个节点的状态。

一致性(Consistency):可观察性是实现一致性的关键。在没有可观察性的情况下,系统操作员或工程师很难检测到数据或资产的不一致性。可观察性还允许简单的计协议来保持链网的一致性。

真实性 (Integrity):可观察性将有助于实现本文中阐述的保护真实性的六原则。保持数据和资产的真实性,系统操作员或工程师需要知道链数据和系统状态。可观察性允许系统操作员实时检测资产和数据,查看是否有高真实性数据被低真实性数据污染。可观察性允许系统操作员动态地监控每个资产,每个节点,以及每个链的真实性状态。事实上,资产或数据块的真实性是区块链中的最重要的系统状态。因此,链网系统必须对每个重要对象 (如资产,节点,链)的真实性进行动态监控。(蔡维德)

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