区块链:分片技术：区块链底层 Layer1扩容方案

什么是分片

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

掌柜调查署 | Marco：未来必然有越来越多的项目会基于分片技术打造或改造:在今日举行的《掌柜调查署 | Near分片技术如何引领web3.0时代》直播中，针对“分片技术在行业内的落地情况如何？”的问题，Buildlinks合伙人、Near中国线上黑客松冠军Marco表示，不管是老项目的扩容改造，还是新项目的能力建设，分片方案都是目前最佳的选择。所以，未来必然有越来越多的项目会基于分片技术打造或改造。当前大部分分片方案，都是基于信标链模式，比如，以太坊上的信标链，波卡上的中继链，Cosmos的Cosmos Hub。而这个模式的由来，也是为了解决分片本身所面临的几大挑战之一：安全性挑战。因为每分片上验证人数目随着分片而减少，如何保证分片的安全性是分片系统面临的最基础挑战。信标链作为分片的基准链，提供统一的随机性，让分片上的验证人随机产生，使得从概率上攻击单个分片的难度与攻击全链一致。除了安全性挑战外，分片协议还普遍面临：跨分片通信；数据一致性问题；数据有效性和可用性等挑战。特别的，信标链模式的分片系统还面临一个分片规模受限的问题。因为信标链要处理所有分片的验证人分配，以及对分片快照这些工作，其本身是一个能力受限的瓶颈。除此以外，信标链系统设计复杂，仅分叉选择逻辑一项，就需要处理信标链分叉和分片链分叉两种情况及其相互之间的关联关系。NEAR为什么这么受追捧，跟它的分片协议关系很大了。NEAR在分片技术上独树一帜，采用了无信标链的构建方式。[2020/8/14]

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。

Parity工程师：波卡的平行链分片技术已实现跨链资产转移:Parity工程师Bastian K?cher今日发推称，波卡的平行链分片技术已成功实现资产跨链转移。同时他还上传了一段gif动图，详细演示了他在平行链中实现代币跨链转移的步骤。[2020/6/10]

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、交易分片、状态分片。

网络分片

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。

动态 | MultiVAC：已在分片技术获得了“突破”:据cointelegraph报道，根据11月5日的新闻稿，区块链平台MultiVAC声称已经在区块链扩容技术分片（sharding）中获得了“突破”。MultiVAC报告称使用64个分片实现了每秒30784次交易（TPS）。虽然所使用的所有分片的交易总量在其峰值时超过30K，但单个分片达到533 TPS。MultiVAC还在新闻稿中声称，他们的“全维分片扩展解决方案”或可用于大规模商业应用，以及低性能计算机上的加密挖掘。[2018/11/10]

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。

Penta发布全新PSG分片技术:Penta（梵塔网络/PNT）发布了全新的PSG（Penta Sharding Graph）分片技术，它可以通过对不同地址或DAPP的交易采用动态分组的方式实现区块链的并行处理，并自动协调交易的并行和串行处理，同时采用自动压力平衡技术，有效提升交易的并行处理能力。另外，PSG分片采用的DSC共识算法机制，确保了包括智能合约等交易的一致性，以及共识生成区块时与主链一致的公平性。在整体系统的安全性、跨分片交易事务的一致性方面也有显著提高。分片技术被认为是可扩展性问题最可能的解决方案，近日Vitalik Buterin多次谈到以太坊分片技术，包括QuarkChain等项目也都有用到该技术，PSG分片技术的出世或许将对交易环节的可扩展性带来重要意义。[2018/5/16]

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，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。

Vitalik为以太坊分片技术发布部分概念验证:据coindesk报道，以太坊创始人Vitalik Buterin在发布 “分片即将到来”时分享了一个新的代码库，该代码库记录了所谓的“分支选择规则”的部分概念验证，这是“以太碎片”如何与主区块链相互作用的代码。分片技术旨在将以太坊分成几个并发网络，从而使整个网络更加高效地扩展。这将有助于 缓解 网络面临的拥塞，从而提高交易速度并降低成本。[2018/5/2]

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

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

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BeaconChain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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