Chainspace：分片智能合约平台

当区块链进入吞吐量瓶颈后，可以将网络分片成多个链，由不同的共识组产生区块，不同的区块生产者可以并行处理不同的交易，从而将交易负载分散，增加链上的整体吞吐量。

设计这样的分片区块链系统的关键两点是：

1.设计一个可用于跨分片交易的协议，来原子性地访问和修改状态。

2.增强交易模型，使得智能合约能够被设计为跨片并行运行。

这样设计的目的是为了防止不同分片中的交易冲突，这种情况，需要一个协议来实现原子性的跨分片交易。

Chainspace即是一种支持智能合约的分布式账本系统，它通过分片的方式，允许节点并行处理链上交易。因此主要设计目标是允许原子性的跨分片交易。

具体来说Chainspace是一个可以随着节点数量的增加而无限扩展的系统，可以容忍拜占庭式的故障，并且可以被完全公开地审计。

具体操作上，Chainspace提出了‘对象’，一个类似 UTXO 的数据模型，用于支持原子性的智能合约，从而允许在不同的分片上并行处理交易。

提出了一个新的分布式的原子性的状态确认协议，称为 S-BAC ，用于跨多个拜占庭节点，对通用智能合约的交易进行分片处理，并正确协调这些节点以确保安全性、可用性，以及防破坏性。

对象和合约

Chainspace的对象是指系统中持有状态的原子。所有的对象都有基于密码学的唯一标识符，用来明确地指代该对象，对象也有一个类型，类型包含了定义了它们的智能合约的唯一标识符，以及类型名称。

在 Chainspace 中，对象状态是不可变的。但对象可以处于两种‘元’状态，即活动或不活动。活动的对象可以通过智能合约的过程进行操作，而不活动的对象则是为了审计的目的而保留。

合约则是特殊类型的对象，它包含，关于如何操纵合约所定义的其他类型的对象的，可执行信息。它们定义了一组初始对象，这些对象在 Chainspace中随着合约首次创建时被创建。并随着合约逻辑运行，最后输出结果。

每个智能合约，会定义一个检查器，检查器是纯函数，会将合约运行过程以及输入、输出、引用和局部变量作为参数。即获取合约数据。

Chainspace系统虽无视过程，只依赖检查器。但应用程序可以使用过程来创建有效的交易。

客户端会打包足够的关于执行这些过程的信息，以允许 Chainspace 安全地将其执行序列化，这样一来，只有在所有交易，根据相关的智能合约的检查器，是有效的情况下，才会原子性的将交易确认。

系统的分片结构

Chainspace系统由管理有效对象，并确保仅提交有效交易的，基础节点网络组成。一个关键的设计目标是在高交易吞吐量和低延迟方面实现可扩展性。为此，节点被组织成分片，它们管理对象的状态，确保对象的有效性，并记录中止或确认的交易。

在每个分片中，所有诚实的节点都确保他们在是否接受交易的问题上完全一致：对象在任何时刻是活动的还是不活动的，以及从它们所涉及的合约得到的痕迹，按照合约的检查器，是否是有效的。

跨分片时，如果所有分片都愿意确认交易，节点必须确保交易被确认，如果任何分片决定中止交易，由于检查器返回‘假’或对象不活动，节点必须确保交易被拒绝（或中止）。为了满足这些要求，Chainspace 实现了S-BAC协议，是一种以新颖的方式组合现有的拜占庭一

致性，和原子性确认的基本概念的协议。

确认（或中止）交易的共识过程在不同的分片中并行进行。为了透明性和可审计性，每个分片中的节点会周期性地发布，由检查点组成的，有签名的区块链：分片将证据组成的区块（是

一个默克尔树）添加到区块链上，证据包括在当前周期处理的交易，以及来自其他节点的有签名的承诺。

交易

在 Chainspace 中，一个交易是由组成该交易的过程生成的，执行痕迹的序列，以及它们之间的相互依赖关系所表示的。这些都是由最终用户的客户端计算和打包的，其中包含了检查器建立交易的正确性，所需的所有信息。

交易是一种数据结构，为了生成一组构成交易的痕迹，用户在客户端，依据输入对象、引用和本地变量，执行所有包含在智能合约中的过程，并为每个过程生成输出对象和本地返回值。因此，交易背后的实际计算由用户执行，形成交易的痕迹中，已经包含输出对象和返回值，以及足够的信息，以便通过智能合约的检查器，检查其有效性。

一个合约过程可以调用另一个智能合约的交易，给它指定参数，并依赖于它的返回的值。这是通过将变量传递给智能合约的检查器来实现的。

除了执行交易外，Chainspace 客户端还需要读取对象的状态以正确形成交易。即使它们被用作交易的输入或引用，读取本身不会使系统接受不一致的状态。

因此，任何机制都可用于向客户端公开对象的状态，此外，可以使用任何索引机制来允许客户端更快地检索具有特定特征的对象。

隐私

将智能合约逻辑定义为检查器允许 Chainspace 通过特定的设计，支持隐私友好型合约。在此类合约中，对象中的某些信息不是公开的的，而是使用公钥加密，或者使用安全提交方案进行提交。交易仅包含有效的证据，表示智能合约过程的逻辑或不变量，被正确应用或各自持有，并且可以采用零知识证明或简洁知识论证（SNARK）的形式。

可扩展性

Chainspace 使用分片策略来确保可扩展性，公共函数将每个对象映射到一组节点，这些节点共同受托管理对象的状态、确保其有效性、记录涉及到对象的交易，并最终提交至多一个使用对象作为输入，并使输入对象变为不活动状态的交易。但是，只有当节点确定所有其他节点已经，或即将要，通过消费这些对象，记录相同交易时，它们才能将该交易记录为已确认。这种分布式算法称为‘分片内共识算法’。

Chainspace 通过结合拜占庭协议和原子性确认协议，提出了分片拜占庭式原子确认（S-BAC）协议，在拜占庭和异步条件下，处理交易的分片内共识算法。其中：

拜占庭协议确保大小为 3 f + 1 的分片的所有诚实成员，能就特定公共操作序列达成一致，即使分片中包含 f 个恶意节点。协议还能够保证，在寻求达成协议时，最终将商定一项决议或顺序动作。共识协议在每个分片内执行，以协调所有节点。通过PBFT 的MOD-SMART实现用于状态机复制，从而使通信步骤的数量最优化。

原子性提交协议跨越所有分片运行，这些分片管理了交易涉及的对象。它要求每个分片都需要同意确认交易，来使交易被确认；即使只有一个分片拒绝该交易，所有的‘同意’都会被否决。

在 Chainspace 中，每个交易在管理它的输入和引用的分片中，均涉及固定数量的相关节点。如果两笔之间的相关节点集不交叉，则它们之间就不存在冲突，并且可以并行执行或以任意顺序执行。

但是，如果两个交易之间存在共同的输入对象，则所有节点只接受其中的一个交易。这一过程将通过 S-BAC 协议来实现。这一过程仅与管理冲突交易的节点有关，因此它是局部性的，而不需要全局性的共识。

PS：Chainspace是模块化区块链Celestia的技术原理，以上内容整理摘录于Celestia白皮书。