一文详解分片技术如何实现区块链扩容

在本文中，我们将以以太坊区块链上的分片技术为例，分析分片技术将如何实现区块链扩容。
来源|hackernoon
作者|Tiaan Wolmarans
翻译|头等仓Annie
编译|头等仓Alonso Chen
文章版权属原作者，翻译由头等仓提供，任何转载请保留前言信息

众所周知，目前最常用的区块链是以太网，所以理解为什么以太坊开发者社区希望在以太坊上采用分片技术，将有助于理解分片技术是什么，以及分片技术为什么是一个受欢迎的扩容解决方案。

ETH Gas Station表示，在以太坊网络中，将交易添加到以太坊区块链大约需要1.78分钟，生成一个新区块需要32秒，平均每秒处理15-20笔交易。可以看出，以太坊生态系统是一个对矿工有利，而非对用户有利的环境，如果用户想要优先处理他们的交易，就必须提高该笔交易的gas（手续）费用。

低吞吐量、高延迟和高交易费用是当前以太坊面临的主要问题，一些对扩展性有要求的服务和应用不太适合采用以太坊网络。以太坊吞吐量低的主要原因是每个节点都要处理系统中的所有交易。

分片技术是什么？

简单地说，分片是一种分区方法，将计算工作量和存储工作量分布到P2P网络上，这样每个节点就不负责处理整个网络的所有交易，而是只处理自己本分区（或分片）的信息。

为了进一步了解分片，我们从实现分片最简单的方式开始讲，V神在他的文章中将这种方式称为“scaling by a thousand altcoins（通过上千种山寨币来进行扩展）”。

在这个分片方式中，我们不会只运行单条区块链，而是运行多条区块链，并且不是将每条链称为区块链，而是称为shard（分片）。每个分片都会拥有独立的验证者或节点网络，即通过 PoW 机制挖矿或者质押投票机制来验证交易和生成区块的网络参与者。

分片技术面临的一些主要挑战

在尝试使用分片技术中，我们发现的第一个问题是，由于每个分片都有自己的验证者，单个片区的安全性就会比整条链更差。例如，一条有 X 个验证者且没有分片的区块链，决定硬分叉成一条有分片的链，并将 X 个验证者分摊到10个片区中，那单个片区中的验证者数量就是 X/10个，因此只需要控制总验证者数量的 5.1%（51%/10）就可能破坏一个分片。

我们遇到的第二个问题是:“由谁来为每个分片选择验证者？”对于一个坏的参与者来说，如果所有5.1％的验证者都在同一个分片中，则控制5.1％的验证者会造成不好的情况。如果验证者无法选择验证哪个分片，则控制5.1％验证者的参与者极不可能在同一分片中获得所有验证者，从而大大降低了它们破坏系统的能力。

实际上，几乎所有的分片设计都依赖于某种随机性（randomness）来为分片分配节点，且随机性和验证者分配都需要不针对任何特定分片的计算。为了实现这种计算，几乎所有现有的设计都包含一条单独的区块链，负责执行维护整个网络所需的操作。

这个链在以太坊中称为信标链（Beacon Chain），负责生成随机数、为分片分配节点、接收分片的信息更新（并创建快照）、处理权益证明（PoS）和其他各种功能。

信标链也有一些不足之处。因为信标链需要做一些记账计算工作,且这些计算量是与系统中分片的数量成正比的，所以分片数量越多，信标链的计算工作量就越大。这就出现了与没有使用分片网络时的同样问题：低吞吐量和高延迟，所以分片网络存在一个与生俱来的可扩展性限制的问题。

但是，分片网络的结构确实对节点的任何改进都具有乘法效应。因为任何提高节点效率的提升都会使节点能更快地处理交易，如果运行网络的所有节点处理交易的速度都变成 4 倍，那每个分片能够处理的交易量将是之前的4倍，且信标链能够维持的分片数量也将是之前的4倍。由此来看，整个系统的吞吐量将变成之前的 4x4=16 倍。

如何将数据分割为碎片?

让我们先看看节点在区块链上主要执行那些事务：

1.处理/验证交易

2.将经过验证的交易和已完成的区块传播给其他节点

3.存储所有交易的历史

随着网络的发展，节点需要能够跟上网络的需求，从而随着网络的发展而增长；

1.随着需要处理的交易的数量不断增长，要求每个节点增加更多的计算能力

2.随着需要中继的交易的数量不断增长，节点在中继交易和区块时需要更多的网络带宽；

3.随着状态的增多，节点在存储数据时需要更多的存储空间。

从这三点可看出，无论每秒的交易量和中继的交易量是否增加，数据存储都会增加。

虽然很多人提议过对存储进行分片，而不是对交易处理进行分片，但是有一些项目已经实现了对交易处理的分片（而非对存储分片），最常见的分片类型被称为“状态分片”，在状态分片中，每个分片中的节点都在搭建自己的分片链，这条链包含的交易只会影响该分片全局状态中本地的状态。这意味着分片中的验证着只需要存储本地的状态，并且只需执行和中继那些影响本地状态的交易。

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