QuarkChain技术揭秘 第三话：状态分割

一.QuarkChain分片方案的总体设计

以现有的区块链模型为基础，我们是从以下几个关键点来设计QuarkChain：

（1）智能合约的状态分割。QuarkChain将智能合约进行状态分割，也就是将智能合约放置在不同的片中。智能合约包含代码和存储的数据，因此会比普通的用户帐户大得多（例如一个ERC20合约包含了大量地址和余额的对应映射）。

（2）普通账户的状态分割。QuarkChain不分割用户的帐户，这样用户可以轻松地通过跨片交易将其帐户状态（主要是余额信息）转移到某一个片中。这允许用户只需要一把私钥就可以访问所有片中的全部资源（包括部署在QuarkChain上的全部智能合约）。

(3）原子性：每一个智能合约都有一个片值（在我们的代码库中命名为的fullShardId），在所有具有相同片值的智能合约上进行的任何批操都将保持原子性。此外，我们还将禁止一个智能合约去访问具有不同的片值的智能合约。

（4）负载平衡：假设智能合同的片值是均匀分布的，那么智能合约也将被均匀地分布在不同的片中。

（5）网络可以再次分片。为了降低再分片产生的迁移成本，我们会根据智能合约的片值来把相应片分割成两个新的片。这可以避免对原先片上的数据进行迁移，从而简化了再分片过程。

（6）再分片前后，智能合约的功能不变。需要保证再分片不会影响合约本身的功能，再分片前后读取同一个合约将得到相同的值，写入一个合约将得到同样的状态变化。

二.QuarkChain的系统状态与状态分割

为了维护在QuarkChain进行CRUD（增加(Create)、读取查询(Retrieve)、更新(Update) 和删除(Delete)）操作的原子性，QuarkChain将一串32位的片值添加到每个地址中来重新定义帐户和智能合约的地址：

Address:= RIPEMD160(Public key) + Shard key,

这里的“+”是笛卡尔积运算符。当前，QuarkChain的地址是192位的字符串，地址的前160位作为recipient*的主地址。

QuarkChain网络中分片的数量是2的乘幂，再分片操作将使网络分片数量增加一倍。确定分片的数量（shard size）后，分片的索引如下：

Shard Id:= Shard key % Shard size

片中的状态是key-value 映射，其中key是recipient地址，value包含如下信息：

余额（Balance）；

一次性随机数（Nonce）；

代码（Code）；

储存数据（Storage）；

片值（ShardKey）。

当设立好片值，key-value对一旦也建立就不可更改。

通过更换地址中的片值，用户能够用单个私钥来管理所有分片中的地址。

三.QuarkChain中的转账

3.1 余额传递类交易

余额传递类交易中的关键参数是发出地址和接收地址，传递过程中有以下两种情况：

（1）片内交易：如果发出地址和接收地址都有相同的片名（即使片值可能不同），则当前交易是一个片内交易，这样的交易只会改变同一片中 recipient的余额。

（2）跨片交易：如果发出地址和接收地址具有不同的片名，则这个交易是一个跨片交易，为了确保交易的原子性我们需要进一步协调交易的过程。幸运的是，这类交易要比跨链交易简单得多，因为两个片都支持相同的加密币（QKC）。跨片交易的细节将在后续的文章进行讨论。

3.2智能合约相关交易

与智能合约相关的交易都是片内交易，即：发出地址的片名和接收交易的智能合约的片名必须相同。智能合约可以调用另一个具有相同片值的智能合同（这种情况需要提供另一个智能合约的recipient。EVM中的地址，EVM的代码中的地址都需要能向后兼容性）。如果智能合约处于不同的片中调用将失败，这种调用动作相当于使用如下的代码访问一个智能合约：

PUSH 0x0

DUP1

REVERT

无论系统状态是如何划分的，具有相同的片值的智能合约将总是被划分到相同的片中，智能合约的功能（进行读/写操作）将能保持一致。（如果想了解这个部分的更多细节，请关注我们的后续文章）。

四.QuarkChain再分片

再分片操作会将每个分片再分成两个片，因此分片的数目会增加一倍。片的数目增加之后，帐号/智能合约的片名中将会增加额外的标识字符用于区别。假设用户帐户/智能合约的片值是呈现均匀分布的，那么一半的帐户/智能合约将会被划分到新分出的1号片中，剩下的一半在2号片中。此外，一个新生的片可能包含另一个新分出的片的智能合约，这种情况将通过使用REVERT命令替换原有的代码并清空其存储内容。这些操作确保新分片中的智能合约即使他们处于相同的片中，如果片值不同，也不能彼此调用。

如果现有的节点没有足够的能力来处理新增分片的事务，新的节点可以加入网络。新增的分片可以迁移到新增加的节点上，从而系统整体容量可以随着分片和节点数目的增加而不断增加。我们后续也将有专门文章来讨论集群的设计。

五.QuarkChain中如何选择片值

在QuarkChain的设计中，确保负载均衡的一个关键是把所有智能合约均匀的分布到所有片中。由于在创建智能合约之后片值是不可变的，所以创建过程中的片值的选择非常重要。

如果要创建的智能合约需要调用其他智能合约，则片值必须与调用的智能合约的片值相同。如果一个智能合约不依赖于任何其他合约，用户则可以自由选择片值，或者采用一些简单规则来生成片值，比如：

随机生成；

采用发出地址的Recipient中的任意32位字符；

或者钱包的IP地址。

前两个情况应该会使得片值的分布趋于均衡。假设网络中有成百上千片，则会产生一些问题。这会使得调用智能合约的用户可能需要频繁的使用跨片交易，或是在多个片中保有余额。这样一来就降低了网络的工作效率，牺牲了用户体验。

通过将一类智能合约根据地理信息分组，使用钱包的IP地址来作为片值，可以避免这个问题。当用户调用智能合约的场景是与地理信息相关的（例如，经常到某个实体商家购物），用户可以在需要高频发生交易行为的商家相关的片中保留余额，从而避免了频繁的跨片交易、简化帐户管理、提升使用体验。

六.QuarkChain与谷歌Big Table的比较

QuarkChain的分片设计受到了谷歌BigTable项目的启发。两者有很多相似之处，因为它们都是对key-value进行存储，我们列出一个表格进行详细的对比：

除了上面提到的相似性之外，QuarkChain与BigTable的主要区别如下：

（1）QuarkChain在设计之初就支持跨片交易，可以将一个片中的帐户余额快速的转移到位于另一个片中的帐户中，而BigTable并不支持跨行事务。

（2）如果BigTable中的表格很小，则可以将两个相邻的表格（类似我们说的片的概念）合并成一个格。但类似合并操作很少用于区块链中，QuarkChain并不需要合并操作。这样也简化了我们的设计，避免了一些可能遇到的威胁和攻击（例如：重放攻击）。

总结

在现有可扩展系统的启发下，我们根据分片的思路提出了一种新的区块链模型，并把该模型与谷歌BigTable进行了比较。在下一篇文章中，我们将讨论如何选择合适的共识来帮助QuarkChain应对可能遇到的网络攻击。

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