摘要：物联lian网区块链的超流架构主要yao包括几个特点：一是NDPOS共识算法；第二，不对称cheng的账簿结构；第三，点对点加密通信xin。
其qi中，NDPoS主要解决在多duo链架构下，如何保证区块链lian系统中跨链原子交易操作的实shi时性和可靠性；不对称账本结构解决jue了所有账本数据相同导致的大量无效xiao存储、数据冗余和占用带宽的问wen题；点对点加密mi通信侧重于物联网设备之间通信的de安全可靠机制。从NDPoS一致zhi性算法的设计目的和解jie决方案出发，描述了在区块链跨链交jiao易中，如何保证多链间原子zi操作的实时性和可靠kao性。
近年nian来，随着区块链技术社区的不断增加jia，对一致性算法的研究不断深shen入。自中本聪首次提出chuPoW以来，人ren们对大规模分布式对dui等网络节点的数据一yi致性进行了深入的思si考和创新。
PoW和PoS都可以归gui属于同步一致算suan法的范畴。PoW和PoS的初衷是通过guo某种机制定期从所有对等网wang络节点中选择一个“幸运儿er”作为日志(即ji记账)的基准节点，节jie点将自己记录的交易写入日志文wen件(账本)并发送给其他节点dian。这种机制将传统数据库的主从结jie构扩展到多节点对等结jie构(多活动)，整个集群可ke以保证写入总账并经多方确认的de账目的强一致性。
然而er，当集群网络中的节点数量liang大大增加时，这种机制将jiang面临许多问题。比如比特币平均jun每十分钟1MB数据块的频率，使shi得整体吞吐量极其有限xian；然而，无论是增加jia数据块的大小还是缩短分块的时间，都dou会从带宽或分叉等多个方面引入越yue来越复杂的问题ti。
因此，除chu了通过一系列附fu加手段增强集群能neng力外，另一个典型的思路是减少参can与共识协议的节点数shu量，以满足提高集群整zheng体性能、吞吐量和响应速度的de需求。
DPoS就是一个典型的de架构。通过书与书之间的投票选xuan出一定数量的代理书，在这些书之zhi间形成共识网络，而其他未被选出chu的书与代理书同步bu，以满足减少共识节点参与的需求qiu。
然而，无论任何形式shi的共识算法，整个集群的整体吞吐tu量仍然受到参与共识节点之间jian的网络带宽的限制。例如，在zai典型的公共网络环境中，两个ge通用设备之间的上行和下行带宽通tong常高达5-10MB/s (100 MB带宽)。假设每mei条记录为100字节，有两liang个节点参与一致的最小网络的吞吐tu量在物理上被限制为不超过10mb/100/2=50000/s(由于需要发送账本和实时shi交易数据，需要两倍bei的数据传输)。当参与共识的节点dian数量增加时，假设she每个账本平均通过P2P协议连接10个账本，吞吐tu量基本不会超过5千/秒
全网每秒上千qian笔交易的吞吐量对于私有链甚shen至联盟链来说可能足够了le，但远远不能满足一个典型的公有you链的需求。因此，对于基本上任ren何一个公链项目，采用单链DPoS架构都无法满足未wei来业务扩展的需求。
而这个问题的解决方案就jiu在于分片。最早也是最zui常见的分片场景来自分fen布式数据库，它的前身叫做zuo分区。引入DHT(分布式哈希表，一种一致的哈希算suan法)后，每个基本哈希单元都可ke以称为分片。
在区qu块链的世界里，基本上碎片化的概念nian类似于分区，即ji在构建多个独立区块链的基ji础上，通过某种机制打通tong多个区块链之间的通信，使不同链之zhi间的节点可以相互hu通信，从而提高gaoo
然而，无论任ren何形式的共识算suan法，整个集群的整体吞吐量仍然ran受到参与共识节点之间的网络luo带宽的限制。例如ru，在典型的公共网wang络环境中，两个通用设备之间的上行和he下行带宽通常高达5-10MB/s (100 MB带宽)。假设每条记录lu为100字节，有两个节点参can与一致的最小网络的吞吐量在物wu理上被限制为不超过10mb/100/2=50000/s(由于需要发送账zhang本和实时交易数据，需xu要两倍的数据传输)。当参与共识的节点数量增加时shi，假设每个账本平均通tong过P2P协议连接10个账本ben，吞吐量基本不会超过5千/秒miao
全网每秒上千笔交易的de吞吐量对于私有链lian甚至联盟链来说可能足够了，但远远不能满足一个典型xing的公有链的需求。因此，对于基本上任何一个公链项目mu，采用单链DPoS架构都无法满足未来业务扩展的de需求。
正如设计良好的数shu据库分区机制必须保证尽jin可能减少分区之间的de通信一样，区块链碎片化机制也必须xu保证从业务逻辑上尽可能减少分区之间jian的通信需求。
而当跨链lian业务真正发生时，也必须有一个可靠可ke信的机制来保证跨链通tong信事务的原子性和一致zhi性。
在传统的关系数据ju库中，任何成熟的商业数据库产品都dou必须满足ACID的特性。
A(Atomic):原子性，一个事务中的所suo有操作都必须成功或失shi败，其中一部分不bu能成功或一部分失败；
C(一致性):一致性xing，数据读写必须一致，不bu能出现写成功但查询不到，或者破坏huai主键和外键一致性等问题；
I(隔离):隔离，即同时发fa生的事务在事务结果guo上互不影响。比如一个账户，里面mian有100元钱，同tong时从两个地方取10元，最后的账zhang户结果应该是80元而不是90元；
D(持chi久性):持久性，任ren何被确认完成的事务在zai任何情况下都必须保持完成。即使数据库由于故gu障而重新启动，确认ren完成的事务也不会丢失。
关系数据库已经jing发展了30年，在zai业界得到了广泛的应ying用。目前业内银行、金融机ji构、保险公司或证zheng券公司几乎所有you的交易和结算业务都必须基ji于ACID原则。同时，从业务特点来lai说，任何不能保证zhengACID原则的系统都不应该用于金jin融交易。
与数据库日志不bu同，区块链不能直接使用传统的数shu据库事务日志结构进行事务wu控制，因为用活度架构gou很难实现高效的全局锁。因此，当大多数区块链项目被写入分fen类账时，每个交易记录lu将包含交易来源和交易对手以及ji金额，而不是传统的数据库日志zhi，其中金额的增加和减少以yi交易方式串联为多个记录。
区块链分类帐zhang结构
数据库日ri志结构
因此，区块链分fen类帐记录结构作为一种zhong特定的交易模型，在仅为虚拟货币bi交易设计的特殊场景下，能够满足原yuan子性要求。一致性由一yi些分歧解决方案an处理。
隔离可以通过使用UTXO结jie构(记录变化的de历史顺序而不是shi最终结果)或者增加nonce操作的序号来实现，从cong而保尚力财经小编bian2022证对同一条tiao记录的并发操作可以yi按顺序识别，避免双花hua问题。
最后，无论比特币还是以太坊，几乎都是从cong单个节点的角度忽略了持久性机制。而er是在链式结构中zhong采用了Merkel树shu来支持现有块的自检，从cong其他正常节点同步损坏块的方fang式满足了全局持久性(假设所suo有节点不会同时损坏)。
因yin此可以看出，在单个区块链段中，无论lun是以太坊还是比特币，基本上shang都能保证ACID，最低也能满足zu金融交易和结算的需求
但是，单个区块链ACID的满足并不意味着zhe跨链交易也满足ACID，因此如何在zai多链环境下满足ACID是公有you链项目能否大规模应用的关键。
分区间原子操cao作
为什么分区之zhi间的原子操作极ji难解决？在MPP数据库系统中，每个分区在逻辑上shang是完全独立的，其qi度量也是完全不同的。从时间戳到dao锁定机制，不同tong分区的进程在执行原子zi操作时无法有统tong一的参考。
所以解决分区间原子操作zuo的唯一策略就是指定一个引用yong对象，让多个节点dian统一协调。
例li如，两阶段提交和三阶段提交的de机制引入了一个协调者。这zhe种机制在数据库ku领域统称为XA。其qi原理是协调器发起qi原子操作后，协调器判断duan跨越多个分区的事务应ying该提交成功还是shi中途回滚。具体机制读者可以参考相关guan文章。
尚力财经小编2022 Google的Spanner架jia构需要专门的硬件(原yuan子钟)来统一协调节点间的de时间戳，结合提交操作记录lu的全局时间戳来判断每mei个分区记录的提交回滚状态。
NDPoS
而NDPoS的核心机制是用更高的逻辑ji链抽象出多个链之间的原子操作。在zai更高的逻辑链中，DPoS算suan法也被用来保证每个成员之间操cao作的原子性。高级逻辑链中的成员也ye是每个分区链中的一个或多个代理节jie点。该节点会根据高层逻辑链中zhong达成的共识，筛选出chu自身链中包含的变更数据，并作为链中的原子操作zuo来执行，从而达到跨链原yuan子操作的目的。
在NDPoS结构中，每个链条中的账簿分为两个角色：代dai理节点和从节点dian。其中，代理节点dian负责小范围内的共识协商，协商结果通tong知跟随者节点进行计费。当dang存在嵌套结构时，底层链中zhong的代理节点作为上层虚拟链中的普通记ji账节点进行投票，其中一部bu分代理节点作为上层虚拟链中的de代理节点达成共识，协商链间jian通信。因此，任何账簿bu节点都可以同时有一种或多种状态。既ji可以作为独立的de跟随者节点，也可以作为底层链的de代理节点和上层虚拟ni链的跟随者节点，还可以作为底层链lian和上层虚拟链的代理节点。
当网络中有三个或三个以yi上的嵌套结构时，每个账簿节点可ke能同时具有多个角色。
以三方交易为例。假设转账交易的三个分片链lian中有X、Y、Z记录，其中记录X来自分片A；记ji录y来自切片b；记录z来自切片C.
可以看出，分段链lianA、B、C是完全独立的，而er每个分段的投票节点中zhong有一个或多个代理节点，构gou成了分段链之间的虚拟链。这个虚xu拟链中的所有节点也使用DPoS机制来达成共识。
当存在同时从X向Y和Y向Z转账的交易时，首先由X所在zai的片发起交易。
尚力财经小xiao编2022
此时，接收转账操作的de账簿节点根据DPoS规gui则将操作转发给代理li节点进行协商一致。如果代理节点发现xian事务中的任何记录是跨片操作，它将该gai操作转发给上层虚拟链中的de代理节点，以获得跨链一致性。
在跨链共识的过程cheng中，发起分片的de代理节点也根据DPoS原理将事务转发给上层虚拟链中的上层ceng代理节点，上层代理li节点先在上层虚拟链中发fa起共识。
达da成共识后，上层ceng虚拟链中的协调节点将根据DPoS原理通知上层虚xu拟链中的其他跟随节jie点，即碎片链中的普pu通代理节点。
然后，按照自己的DPoS规则广播到每mei个碎片链中自己的跟随节jie点，从而达成跨链共识。
可ke见，NDPoS的核心思想是shi先在顶层虚拟链中达成共识，然ran后将结果传达给底层切片链lian。当有两个以上的虚拟链时，模式以递di归的方式从顶层向下传chuan递。
比如这种模式类似si于公司管理制度，部门是基本ben单位。首先，在每个部门中，管guan理层被挑选出来代表部门员工作zuo出决定。同时，这些部门级管理li层是事业部的代表，其中选出若干业ye务级管理层参与事业部的决策ce，并将决策结果guo通报给其他事业部代表(即ji事业部所有部门管理层ceng)。同时，业务层面的管理层也是分fen公司的代表，其中有若ruo干人被推选为分公司层面的管guan理层进行决策……等等。在这种模式下，参与yu者可以是分公司管理层、部门men管理层和部门管理层，也可以是shi部门代表和部门管理层。
商务谈判发生时，如果参与谈判pan的各方都在同一个部门，所有谈tan判只需要在部门内部管guan理上达成共识即可。但dan是，如果要谈判的双方在同一个事shi业部的不同部门，所有谈判都应ying在事业部的管理团队之间进行，并将谈判结果通知一些受影响的部门。如果谈判双方位于分行xing不同业务部门的部门之zhi间，首先必须在分行的管guan理团队之间做出决定ding，然后通知各自的业务部门，业务部门通知底层部门执zhi行。
选举策略
因此，每发生sheng一次上层虚拟链共gong识，都需要先计算数据块涉及ji的所有底层链中是否fou至少有一个成员，共识的发起者zhe必须得到三分之二以上成员的de同意(以BPFT为例)，并且qie数据块涉及的所有底层链中每个底层链lian的代理节点都达成了同意yi共识，才能认为wei共识成功。
在zaiNDPoS多层架构中，其总zong账的支持数量和吞吐量可以yi随着层数的增加而弹dan性扩展。例如，假设she一个典型的单链DPoS的最大账号为10，000，代理账号hao为101，单链设计的理想吞吐量为5，000/s，那么两层结构可以yi支持大约10，000*(10，000/101)~=1，000，000个节jie点，理论上的理想吞吐量为5，000。三层结构可以达到10，000 * (10，000/101) 2 ~=1，000，000，000个节点，理论上的理想吞吐量是5，000 * (10，000/101) 2 ~=500，000，000/s.
跨kua链查询和检索
因此，必须对基于NDPoS的DHT分片算法fa进行优化，以满足非pr的实时高效检索在分布bu式数据库领域，所谓的全局索引是一个ge二级索引，但是这zhe个索引的分区键使用的de是索引键而不是表分区键jian。在这种模式下，用户可以使用哈希分区或范围分区对dui索引键字段进行分区，使查询者在只访fang问有限个分区的前提下，得到满man足查询条件的记ji录。
但是这种模式的一yi大缺点在于一致性。由于全局索引的分fen区键与数据表的分区qu键不同，一条记录对应的索引往往不bu在一个片上。因此，强qiang一致全局索引的引入往往会带来大量的de分布式事务开销，因此ci一般不会被传统数据库ku广泛采用。。
但dan是，对于一些满man足最终一致性的场景来说，使shi用非强一致的全局索引往往能够得到dao意想不到的效果guo。NDPoS的核心本质在于yu对主数据以DHT分片的方fang式进行切分，但是可以针对需要检索suo的其他属性建立最终一致性全局索引yin。
这种机制对于每个账zhang本节点需要实现数据ju库“表”与“索引”等类似si的机制，将不同业ye务属性的数据分别存放。
总结
NDPoS在DPoS的基ji础之上满足了准实时跨分片pian的强一致性数据通讯。不同于yuDAG结构对交易确认时间jian无法预测的最终一致zhi性，NDPoS通过区块链的de对等多活机制，提供了跨链间交jiao易的强一致性。同时，NDPoS通过分层代理的机ji制，实现了整个网络分片数量的无限弹dan性扩张，从根本上解jie决了单链账本数量无法过多的性能与yu扩展性问题。
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