分片技术－区块链底层Layer 1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服务器中储存，如此一来，就不会因为短时间内出现大量数据访问请求，而出现单一服务器压力过大的问题。

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。

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。

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，这也就是为什么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，意味着分片数量的提升。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。

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，也不会有余额的纪录，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，那么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，如果不采取任何措施，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。

跨分片交易通讯的效益平衡

过去区块链的状态，例如帐户余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。

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。