圖文詳解以太坊的節點和分片（三）_以太坊

上一講中，我們簡單提到了什么是分片。今天的文章我們會詳細介紹以太坊的分片技術。

什么是分片？

分片是數據庫系統中抽離而來的一個詞。我們先來介紹下數據庫中分片的概念。假設你的網站上有大量的數據庫存儲，這不僅會導致數據搜索速度減慢，還會影響可擴展性。這種情況下我們可以做些什么呢？

能不能把數據橫向切分成小的數據表格，并把他們存儲在不同的數據庫服務器中？

你或許會問為什么要進行橫向切分而不是垂直切分呢？這是由于數據表格本身的設計導致的。

我們現在進行垂直切分。

注意到了嗎？垂直切分后會把整個數據庫表切割成兩個完全不相干的數據表格。

但是橫向切分的話，還是同一個由A,B,AB,A-B構成的數據庫，只不過每個數據庫中的數據存量減少了。這些小的數據庫就是大的數據庫的分片。每一個分片的表格結構都相同。

調查顯示超過23%的澳大利亞人持有加密貨幣:金色財經報道，最近的一項調查顯示，澳大利亞的加密貨幣采用率正在上升，據報道超過23%的澳大利亞人持有某種形式的數字資產。比特幣仍然是最受歡迎的加密貨幣，但以太坊、狗狗幣和BNB等其他數字資產也受到了澳大利亞投資者的需求。隨著人們尋求提供更好回報的替代投資，新冠疫情在推動加密貨幣的采用方面發揮了重要作用。此外，特斯拉和 PayPal 等知名公司對加密貨幣的接受度不斷提高，也有助于提高它們的可信度。[2023/8/19 18:09:31]

區塊鏈中的分片

上一講中，我們提到過以太坊共識的問題在于所有的節點都必須對同一筆交易進行計算和確認。整個計算過程又慢又繁瑣。分片技術可以如何改善這個問題呢？

現在我們來設想一下：整個以太坊區塊鏈就是一個“萬國領土”，可以分割給所有人。這個萬國領土的默克爾樹根會切分成大大小小不同的分片根，每一個分片根都擁有自己的國度。讓我們以默克爾樹的形式把這些國度表現出來：

CyberConnect已部署Base主網:8月11日消息，據官方消息，去中心化社交圖譜協議CyberConnect已部署Base主網，為Base帶來由erc-4337支持的智能賬戶。[2023/8/11 16:19:21]

這就是整個萬國領土切分成多個小國的簡單結構圖。現在讓我們來看一下內部機制。

分片啟動后會發生什么呢？

*萬國領土被分割成多個分片*每一個獨特的賬戶都代表著一個分片*只有同一個分片里的賬戶能相互轉賬。

在以太坊的開發者大會中，Vitalik是這樣解釋分片的：

假設以太坊被分割成成千上萬個小的島嶼。每個島嶼都是自治的。每個島嶼都有自己的特色，島嶼上的每個人都可以跟其他島民互動，并且隨意享用這個島嶼的特色。如果你想跟其他島嶼互動，就必須使用某種特定的協議。

Luxor Mining COO：多數以太坊礦工轉移至ETC但無法盈利:9月16日消息，此前運營以太坊礦池的Luxor Mining首席運營官Ethan Vera發推稱，有太多以太坊礦工轉移至ETC，即使以低于3美分的功率運行新一代硬件，當前在ETC上也無法盈利。總的來說，大約20-30%的以太坊礦工已經遷移到其他網絡，其余的目前已關閉。[2022/9/16 7:00:33]

那么問題來了，這種分片技術對區塊鏈有什么影響呢？我們先來看一下比特幣和以太坊中一個正常的區塊長什么樣子？

一個區塊中由區塊頭和包含所有交易的區塊主體構成。所有交易的默克爾根都存在在區塊頭中。

現在讓我們來自問一下：比特幣真的需要區塊嗎？真的需要區塊鏈嗎？中本聰本可以把上一筆交易的哈希記錄在一筆新的交易之中，用這種簡單的方式就可以構成一條交易鏈。

俄媒：前線記者稱利西昌斯克已在俄軍和盧甘斯克武裝力量控制之下:7月3日消息，綜合俄羅斯衛星通訊社及俄新社3日最新消息，據這兩家俄媒前線記者消息，利西昌斯克已被拿下并在俄軍和盧甘斯克武裝力量控制之下。俄衛星社稱，烏克蘭武裝人員在逃離這座城市時，炸毀并毀壞了包括市政廳在內的部分重要行政大樓。俄車臣共和國領導人卡德羅夫表示，俄方人員已位于盧甘斯克利西昌斯克的市中心。利西昌斯克是目前俄烏爭奪的關鍵城市，除了利西昌斯克，盧甘斯克地區已幾乎全被俄軍或親俄武裝控制。（環球網）[2022/7/3 1:47:12]

把交易都記錄在區塊中的目的是為了創造一層交互，讓整個過程更加可擴展。以太坊想做的是實現兩層交互。

第一層

第一層是交易組。每一個分片都有自己的交易群。交易群包括交易群頭和交易群主體。

加密研究員：三箭資本僅獲準在新加坡管理最高1.8億美元的資產:6月22日消息，Terra研究員FatMan表示，三箭資本僅獲準在新加坡管理最高1.8億美元的資產。[2022/6/22 1:24:36]

交易群頭包括左右兩個部分。左側包含的信息如下：

*分片ID：交易組所屬的分片ID*前狀態根：這是交易執行前分片43的根狀態。*后狀態根：交易執行后分片43的根狀態。

右側信息如下：

*右側是隨機選取的需要在分片內確認交易的確認者。*交易組主體*包含了分片中所有交易的ID。

第一層的特征

*每一筆交易對應著它所屬分片的ID。*某特定分片中的一筆交易表明這筆交易的發起和接收賬戶都在這個特定的分片中。*交易群組中的交易只存在于分片ID之中，具有特定的前后狀態根。

現在我們來看一下第二層交互

別跑！其實非常簡單。

這就是一般的區塊鏈結構，只不過現在包括兩個主要的根：

*狀態根(stateroot)*交易群根

狀態根代表了整個以太系統的根。我們之前提到過，這個系統被切分成大大小小的分片，對應著它們各自的分國度。

交易群根包含了某特定區塊里所有的交易群。

第二層的特征

第二層是一個簡單的區塊鏈，記錄交易群而不是交易本身。交易群合法的唯一條件是：

*前狀態根與整個系統的分片根相符。*交易群組中的所有簽名都已經得到了確認。

交易群進入區塊后，整個系統的根就變成了特定分片ID的后狀態根。

那么跨分片通信是怎么實現的呢？還記得之前的島嶼比喻嗎？

分片就相當于島嶼。它們如何互相聯系呢？記住，分片的目的是讓很多平行交易同時發生來提高性能。如果以太坊允許任意的跨分片交流，那么整個分片就毫無意義了。

因此以太坊協議要如何設計來允許跨分片通信呢？以太坊使用收據實現跨分片通信。

如你所見，每筆交易的收據只需通過這個交易群的多個默克爾根就可以輕松訪問。分片中的每一筆交易都會做兩件事情：

*改變所屬分片的狀態*產生收據

數據存儲在分布式共享內存中，其他分片可以看到，但是無法修改。通過數據跨分片交流如下：

實行分片技術的挑戰有哪些？

*我們需要一種機制來知道每個節點執行了哪個分片，這種機制還要能保證系統安全又高效。*根據以太坊研究員VladZamfir的說法，在實現分片之前需要以太坊需要先轉到POS算法。節點之間可以互不信任，但是也需要能夠達成共識。如果某筆交易分割成多個分片，并分配給節點A和節點B，節點A和B需要利用某種機制來證明自己完成了分片中各自對應的工作量。

總結

隨著以太坊的進一步崛起，大都會和寧靜階段的到來，分片對以太坊越來越重要。如果以太坊想要演化成新一代的互聯網，必須要解決可拓展性問題。采用分片后的以太坊會如何發展，讓我們拭目以待。

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