分片技術：區塊鏈底層 Layer1擴容方案_SHA

什么是分片（Sharding）

分片技術并不是什么創新的概念，早在區塊鏈技術出現之前，就已經在傳統數據庫中運作了，主要用于大型商業數據庫的優化。

其概念就是將數據庫中的數據，切割成很多數據分片，再將這些分片分配到不同的伺服器中儲存，如此一來，就不會因為短時間內出現大量數據訪問請求，而出現單一伺服器壓力過大的問題。

在傳統的區塊鏈網絡中，交易必須有網絡中的每個節點進行確認，以保證交易的安全，然而這也是導致交易速度難以提升的主因之一。

分片技術-pow

而把分片技術運用到區塊鏈網絡中的方式，是將區塊鏈網絡劃分成若干個子網絡(或稱分片,shard)，每一個子網絡都會包含一部分節點，網絡中的資料儲存與交易，會被隨機分配到各個分片中做處理。

如此一來，每個節點只需要處理一小部份的工作，且不同分片上的交易可以并行處理，網絡的交易速度便能因此獲得提升。

分片技術-分片

另外，傳統的區塊鏈大部分都是單鏈結構，所有礦工都會相互競爭取下一個區塊的計帳權。

Alex Chien：在解決網絡可擴展性方面，波卡平行鏈很像以太坊2.0的分片技術:金色財經報道，在8月28日舉辦的《金色百家談 | Polkadot如何構建資產互聯網？》的直播節目中，達爾文網絡（Darwinia Network）聯合創始人Alex Chien表示，波卡平行鏈是特定于應用程序的數據結構，它在上下上是一致的，并且可以由 Polkadot 中繼鏈的驗證人進行驗證。通常平行鏈會是一條區塊鏈, 但并沒有特別要求它們必須是一條鏈，之所以叫他們平行鏈是因為它們于中繼鏈并行運行。由于它們的并行性質，它們能夠并行地處理交易并實現 Polkadot 系統的可伸縮性。它們與 Polkadot 網絡共享安全，并且可以通過 XCMP 與其它平行鏈進行通信。

在解決網絡可擴展性的方面，平行鏈確實很像以太坊2.0將要實現的分片技術，例如共識算法和Staking相關的設計。

每個平行鏈有自己的業務規則和治理主權，波卡使用共享安全和共享運行時(Shared Protected Runtime Execution Enclaves)，鏈上治理的方式來組織和保護這些分片，各個平行鏈還可以自主的選擇申請加入和退出波卡網絡，從這一點上看有點像歐盟。

而以太坊2.0的每個分片都更加一致和統一，并且使用同一種業務規則和語言，整個系統統一治理，相較于波卡的歐盟模式，則更像美國。[2020/8/28]

且大部分區塊鏈產生區塊的平均時間是固定的，例如比特幣平均每10分鐘產生一個區塊。

動態 | MultiVAC：已在分片技術獲得了“突破”:據cointelegraph報道，根據11月5日的新聞稿，區塊鏈平臺MultiVAC聲稱已經在區塊鏈擴容技術分片（sharding）中獲得了“突破”。MultiVAC報告稱使用64個分片實現了每秒30784次交易（TPS）。雖然所使用的所有分片的交易總量在其峰值時超過30K，但單個分片達到533 TPS。MultiVAC還在新聞稿中聲稱，他們的“全維分片擴展解決方案”或可用于大規模商業應用，以及低性能計算機上的加密挖掘。[2018/11/10]

即便有越來越多的礦工加入挖礦行列，區塊鏈也會自動提升挖礦難度，以確保區塊產生速度固定在每10分鐘產生一個區塊。

簡單來說，區塊鏈網絡中算力的提升沒辦法增加交易速度，這也就是為什麼區塊鏈會是不可擴展。

如果要用簡單一點的例子來形容的話，就好比你把汽車改車V8大馬力引擎，但汽車電腦卻設置了速度限制，不能開超過60。

在分片技術中，區塊鏈算力的提升，意味著分片數量的提升。

也就是說網絡中所投入的算力越多，能夠同時并行處理的交易也會越多，整個網絡的交易速度也會線性提升。

運用在區塊鏈上的分片技術，又能夠分為三種:

網絡分片（network sharding）、交易分片（transaction sharding）、狀態分片（state sharding）。

動態 | Ripple引入歷史分片技術:據blokt報道，10月31日，Ripple 在ripple 0.90.0上引入了歷史分片（History Sharding）技術。該功能允許單個Ripple服務器存儲歷史數據，而無需存儲整個歷史記錄。[2018/11/2]

網絡分片（network sharding）

由于區塊鏈的區塊與區塊之間具有強連結性，也就是說，每一次的區塊新增，都需要礦工互相通信確認新區塊的有效性。

雖然這能確保鏈上交易紀錄的正確性，卻也導致區塊鏈結構上存在不可擴展性的缺點。

因此，分片的第一步，需要先將區塊鏈網絡分片，再盡量降低互相通信的前提下，由各個分片處理鏈上交易。

說的簡單一點就是將礦工隨機分組，再將工作分配給各組礦工獨立驗證。

網絡分片涉及到的問題是，分片后如何確保鏈上交易安全性能夠維持。

隨機分配

礦工分組之后，網絡分片第一個會面臨到的問題是，攻擊者的攻擊成本會大幅降低。

下方這張圖說明的是，本來假設有100個礦工,要掌握51個才能癱瘓網絡，自從有分片后,假設是100個分片，礦工一人顧一個分片下，就變成我只要有全網1%的攻擊力，就有機會癱瘓某一個甚至兩個分片，而這1%在原本的PoW下，根本起不了作用。

現場 | Vitalik Buterin：“中心化”系統涉及高成本 分片技術能減少交易固定成本:金色財經現場報道，今日，由金色財經提供戰略媒體支持的以太坊產業發展峰會在香港舉辦，會上以太坊創始人Vitalik Buterin發表觀點：中心化系統通常涉及較高的固定成本，以太坊技術可以減少相關交易成本。[2018/9/8]

要防范攻擊者最好的做法，就是建立隨機性。

區塊鏈底層Layer1擴容方案

在區塊鏈領域建立隨機性的方式主要是利用可驗證隨機函數（VRF,Verifiable Random Function），利用此演算法，網絡可以隨機抽取節點分組形成分片。

這樣一種隨機抽樣的方式可以防止惡意節點控制單個分片。

分片的共識機制

解決了礦工分組的問題后，所要面臨的問題是分組后的礦工，驗證過程如何達成共識。

達成共識的算法可以選擇我們熟知的PoW、PoS、PBFT等共識機制。

簡單來說，網絡分片就是礦工的挖礦規則，為了在分片的同時不失去去中心化特性，開發者需要盡可能地在安全與效率取得良好的平衡。

聲音 | 新加坡國立大學Jia Yaoqi ：提高公鏈性能的最佳解決方案是分片技術:今日，新加坡國立大學博士Jia Yaoqi 針對如何提高公鏈的吞吐量，以及可擴展性的問題，指出目前已有的一些解決方案如增加區塊大小、代理人共識機制（DPOS），側鏈以及各種鏈下的解決方案，因受限于帶寬或喪失去中心化的特質，并不是100分的解決方案。而分片技術通過把整個網絡進行一個切割，切成不同的小組，進行不同的交易，允許整個網絡在不同的分片里面處理不同的交易，則能夠最終達到共同計算以及共同解決交易的效果，從而達到一個很高的吞吐量。[2018/9/5]

例如，網絡中分片的數量與每個分片中節點的數量等問題，都需要謹慎考慮。

網絡分片針對的是礦工的游戲規則，而交易分片所針對的是哪些交易要被分配到哪些分片，然而，區塊鏈的帳本模型的不同會對交易分片的開發造成影響。

UTXO帳本模型

UTXO的帳本系統，例如比特幣，交易紀錄是由多個input和多個output構成，沒有帳戶的概念，也不會有馀額的紀錄，我們沒有辦法按照地址進行交易分片來有效地避免雙花問題。

UTXO較直觀的交易分片方式是按照交易hash值的最后幾位進行分片。

例如，“如果哈希值的最后一個值是0的話，那麼交易將被分配給分片1，否則它被分配給分片2(假設只有兩個分片)。”

然而，我們說過，UTXO的交易是由input和output構成，假設A發起了一筆交易，該交易的哈希值的最后一個值是0，被分配到第一個分片驗證。

此時，A又發起一筆input相同但output不同(發給不同人)的交易，該筆交易被分配到第二個分片，如果不採取任何措施，這兩筆交易將因為同時在兩個分片當中進行處理和驗證，而導致雙花攻擊。

在UTXO帳本系統的交易分片中，解決雙花攻擊的辦法是分片1和分片2相互通信，以確保同一筆錢沒有被重復花費。

但是在實際過程中，分片數量眾多且交易的hash值是隨機的，交易會被隨機分配到各個分片，這就表示每個分片之間都必須相互溝通。

很明顯，這方法行不通，因為如果這么做，就代表分片無法獨立驗證，分片就沒有意義了，因此UTXO先天上就較難以實現分片。

Account帳本模型

由于UTXO帳本模型較難實現交易分片，因此，大多數采用分片技術的區塊鏈，都是像以太坊一樣的Account帳戶帳本系統。

有了帳戶，每一筆交易將會包含發送者的地址與余額。

因此我們只需要將交易按照發送者的地址進行分片，即可保證同一個帳戶發出的多筆交易將被在同一個分片當中被處理，這樣該分片即可有效的檢測雙花交易。

不過一但涉及到跨分片交易，例如：分片1的帳戶要與分片10的帳戶進行交易，勢必需要跨分片的溝通來驗證交易的有效性。

但與UTXO相比，至少不需要跟所有的分片溝通，只需要分片1與分片10溝通即可。

狀態分片可以簡單理解為，在區塊鏈資料分配在在不同分片中儲存。

其所涉及的是鏈上資料的分片，也就是鏈上資料與交易紀錄分片儲存，借此減少節點的存儲負擔。

與其他兩個分片機制相比，狀態分片是最棘手的難題。

目前的狀態分片有以下三個問題需要解決。

1)跨分片交易通訊的效益平衡

過去區塊鏈的狀態，例如帳戶馀額狀態儲存在全網中，由全網節點共同更新維護。

但是在分片機制下，交易會根據地址分配在不同的分片處理，也就是說，狀態只會儲存在其地址所在的分片中，此時要面臨的一個問題是，交易不會只在一個分片中進行，時常會涉及到跨分片交易。

因此若交易雙方帳戶被分配在不同分片，分片與分片之間勢必要進行溝通才能夠確保交易的有效性，頻繁的跨分片互動，很容易導致整體網絡效率下降。

例如:

A的地址分配在分片1，交易的紀錄也會儲存在分片1。

B的地址分配在分片2，交易的紀錄就會儲存在分片2。

一但A要打幣給B，就會形成跨分片交易，分片2就會向分片1調用過去的交易紀錄，確認交易的有效性，A頻繁的打幣給B，分片2就必須不斷跟分片1互動，交易的處理效率便會因此降低。

2)分片動態刷新和節點狀態更新之間的平衡

區塊鏈的節點會隨著時間而增加，且節點若長時間未重新分配，會導致交易狀態過度集中化，降低遭受攻擊時的彈性。

因此網絡每隔一段時間需要重新調整網絡節點，也就是所謂的動態分片，而新進節點也會借此更新與同步其所在分片的狀態。

然而每一次的節點調整，都必須在該分片完成網絡同步后，才能開始處理交易，這會造成部分延遲問題，因此設計時必須掌握好節點調整的數量與時間，否則很可能會造成分片癱瘓。

3)全網數據備份與中心化風險之間的平衡

還有一個問題是，若某些特定的分片遭到了攻擊而導致其驗證失去有效性。由于分片并沒有複制系統的全部狀態，所以網絡也無法驗證那些依賴于該分片的交易。

解決此問題的方法是維護存檔或進行節點備份，這樣就能幫助系統進行故障修復以及恢復那些不可用的數據。

但是，這樣就代表系統的狀態只會儲存在少數節點，這會引發一些中心化的風險。

雖然分片技術與其他解決方案相比，較復雜也較難實現，但分片技術依然是目前備受期待的Layer1擴容方案。

知名的分片項目Zilliqa主網在2019年1月31日正式上線了，過去在測試網上都有相當不錯的表現，實際的效能還有待確認。

而我們所熟悉的以太坊，也將會慢慢開始進化，從以太坊1.0進化到以太坊2.0，除了會將共識機制從PoW改成PoS外，還會加入Beacon Chain讓分片技術得以在以太坊上實現。

分片技術的發展，或許將成為區塊鏈邁向落地應用的一項重要決定性因素。

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