分片技术：区块链底层 Layer1扩容方案

什么是分片（Sharding）

分片技术并不是什么创新的概念，早在区块链技术出现之前，就已经在传统数据库中运作了，主要用于大型商业数据库的优化。

其概念就是将数据库中的数据，切割成很多数据分片，再将这些分片分配到不同的伺服器中储存，如此一来，就不会因为短时间内出现大量数据访问请求，而出现单一伺服器压力过大的问题。

在传统的区块链网络中，交易必须有网络中的每个节点进行确认，以保证交易的安全，然而这也是导致交易速度难以提升的主因之一。

分片技术-pow

而把分片技术运用到区块链网络中的方式，是将区块链网络划分成若干个子网络(或称分片,shard)，每一个子网络都会包含一部分节点，网络中的资料储存与交易，会被随机分配到各个分片中做处理。

如此一来，每个节点只需要处理一小部份的工作，且不同分片上的交易可以并行处理，网络的交易速度便能因此获得提升。

分片技术-分片

另外，传统的区块链大部分都是单链结构，所有矿工都会相互竞争取下一个区块的计帐权。

且大部分区块链产生区块的平均时间是固定的，例如比特币平均每10分钟产生一个区块。

即便有越来越多的矿工加入挖矿行列，区块链也会自动提升挖矿难度，以确保区块产生速度固定在每10分钟产生一个区块。

简单来说，区块链网络中算力的提升没办法增加交易速度，这也就是为什麽区块链会是不可扩展。

如果要用简单一点的例子来形容的话，就好比你把汽车改车V8大马力引擎，但汽车电脑却设置了速度限制，不能开超过60。

在分片技术中，区块链算力的提升，意味著分片数量的提升。

也就是说网络中所投入的算力越多，能够同时并行处理的交易也会越多，整个网络的交易速度也会线性提升。

运用在区块链上的分片技术，又能够分为三种:

网络分片（network sharding）、交易分片（transaction sharding）、状态分片（state sharding）。

网络分片（network sharding）

由于区块链的区块与区块之间具有强连结性，也就是说，每一次的区块新增，都需要矿工互相通信确认新区块的有效性。

虽然这能确保链上交易纪录的正确性，却也导致区块链结构上存在不可扩展性的缺点。

因此，分片的第一步，需要先将区块链网络分片，再尽量降低互相通信的前提下，由各个分片处理链上交易。

说的简单一点就是将矿工随机分组，再将工作分配给各组矿工独立验证。

网络分片涉及到的问题是，分片后如何确保链上交易安全性能够维持。

随机分配

矿工分组之后，网络分片第一个会面临到的问题是，攻击者的攻击成本会大幅降低。

下方这张图说明的是，本来假设有100个矿工,要掌握51个才能瘫痪网络，自从有分片后,假设是100个分片，矿工一人顾一个分片下，就变成我只要有全网1%的攻击力，就有机会瘫痪某一个甚至两个分片，而这1%在原本的PoW下，根本起不了作用。

要防范攻击者最好的做法，就是建立随机性。

区块链底层Layer1扩容方案

在区块链领域建立随机性的方式主要是利用可验证随机函数（VRF,Verifiable Random Function），利用此演算法，网络可以随机抽取节点分组形成分片。

这样一种随机抽样的方式可以防止恶意节点控制单个分片。

分片的共识机制

解决了矿工分组的问题后，所要面临的问题是分组后的矿工，验证过程如何达成共识。

达成共识的算法可以选择我们熟知的PoW、PoS、PBFT等共识机制。

简单来说，网络分片就是矿工的挖矿规则，为了在分片的同时不失去去中心化特性，开发者需要尽可能地在安全与效率取得良好的平衡。

例如，网络中分片的数量与每个分片中节点的数量等问题，都需要谨慎考虑。

交易分片（transaction sharding）

网络分片针对的是矿工的游戏规则，而交易分片所针对的是哪些交易要被分配到哪些分片，然而，区块链的帐本模型的不同会对交易分片的开发造成影响。

UTXO帐本模型

UTXO的帐本系统，例如比特币，交易纪录是由多个input和多个output构成，没有帐户的概念，也不会有馀额的纪录，我们没有办法按照地址进行交易分片来有效地避免双花问题。

UTXO较直观的交易分片方式是按照交易hash值的最后几位进行分片。

例如，“如果哈希值的最后一个值是0的话，那麽交易将被分配给分片1，否则它被分配给分片2(假设只有两个分片)。”

然而，我们说过，UTXO的交易是由input和output构成，假设A发起了一笔交易，该交易的哈希值的最后一个值是0，被分配到第一个分片验证。

此时，A又发起一笔input相同但output不同(发给不同人)的交易，该笔交易被分配到第二个分片，如果不採取任何措施，这两笔交易将因为同时在两个分片当中进行处理和验证，而导致双花攻击。

在UTXO帐本系统的交易分片中，解决双花攻击的办法是分片1和分片2相互通信，以确保同一笔钱没有被重复花费。

但是在实际过程中，分片数量众多且交易的hash值是随机的，交易会被随机分配到各个分片，这就表示每个分片之间都必须相互沟通。

很明显，这方法行不通，因为如果这么做，就代表分片无法独立验证，分片就没有意义了，因此UTXO先天上就较难以实现分片。

Account帐本模型

由于UTXO帐本模型较难实现交易分片，因此，大多数采用分片技术的区块链，都是像以太坊一样的Account帐户帐本系统。

有了帐户，每一笔交易将会包含发送者的地址与余额。

因此我们只需要将交易按照发送者的地址进行分片，即可保证同一个帐户发出的多笔交易将被在同一个分片当中被处理，这样该分片即可有效的检测双花交易。

不过一但涉及到跨分片交易，例如：分片1的帐户要与分片10的帐户进行交易，势必需要跨分片的沟通来验证交易的有效性。

但与UTXO相比，至少不需要跟所有的分片沟通，只需要分片1与分片10沟通即可。

状态分片（state sharding）

状态分片可以简单理解为，在区块链资料分配在在不同分片中储存。

其所涉及的是链上资料的分片，也就是链上资料与交易纪录分片储存，借此减少节点的存储负担。

与其他两个分片机制相比，状态分片是最棘手的难题。

目前的状态分片有以下三个问题需要解决。

1)跨分片交易通讯的效益平衡

过去区块链的状态，例如帐户馀额状态储存在全网中，由全网节点共同更新维护。

但是在分片机制下，交易会根据地址分配在不同的分片处理，也就是说，状态只会储存在其地址所在的分片中，此时要面临的一个问题是，交易不会只在一个分片中进行，时常会涉及到跨分片交易。

因此若交易双方帐户被分配在不同分片，分片与分片之间势必要进行沟通才能够确保交易的有效性，频繁的跨分片互动，很容易导致整体网络效率下降。

例如:

A的地址分配在分片1，交易的纪录也会储存在分片1。

B的地址分配在分片2，交易的纪录就会储存在分片2。

一但A要打币给B，就会形成跨分片交易，分片2就会向分片1调用过去的交易纪录，确认交易的有效性，A频繁的打币给B，分片2就必须不断跟分片1互动，交易的处理效率便会因此降低。

2)分片动态刷新和节点状态更新之间的平衡

区块链的节点会随着时间而增加，且节点若长时间未重新分配，会导致交易状态过度集中化，降低遭受攻击时的弹性。

因此网络每隔一段时间需要重新调整网络节点，也就是所谓的动态分片，而新进节点也会借此更新与同步其所在分片的状态。

然而每一次的节点调整，都必须在该分片完成网络同步后，才能开始处理交易，这会造成部分延迟问题，因此设计时必须掌握好节点调整的数量与时间，否则很可能会造成分片瘫痪。

3)全网数据备份与中心化风险之间的平衡

还有一个问题是，若某些特定的分片遭到了攻击而导致其验证失去有效性。由于分片并没有複制系统的全部状态，所以网络也无法验证那些依赖于该分片的交易。

解决此问题的方法是维护存档或进行节点备份，这样就能帮助系统进行故障修复以及恢复那些不可用的数据。

但是，这样就代表系统的状态只会储存在少数节点，这会引发一些中心化的风险。

链金研究员总结

虽然分片技术与其他解决方案相比，较复杂也较难实现，但分片技术依然是目前备受期待的Layer1扩容方案。

知名的分片项目Zilliqa主网在2019年1月31日正式上线了，过去在测试网上都有相当不错的表现，实际的效能还有待确认。

而我们所熟悉的以太坊，也将会慢慢开始进化，从以太坊1.0进化到以太坊2.0，除了会将共识机制从PoW改成PoS外，还会加入Beacon Chain让分片技术得以在以太坊上实现。

分片技术的发展，或许将成为区块链迈向落地应用的一项重要决定性因素。

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