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分片技術(shù)（Sharding）：化整為零，分而治之
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目前的區(qū)塊練技術(shù)面臨著一個(gè)巨大的瓶頸，那就是：如何有效地提升區(qū)塊的吞吐量（TPS）。
區(qū)塊鏈的擴(kuò)展性一直是大多數(shù)公鏈發(fā)展過(guò)程中難以避開的一塊攔路石，比特幣因之有一段長(zhǎng)達(dá)三年的擴(kuò)容之爭(zhēng)，以太坊一度因?yàn)橐粋�(gè)小小的密碼貓游戲而長(zhǎng)時(shí)間擁堵不堪。
目前提出的問題解決思路主要有以下幾種：治標(biāo)不治本的擴(kuò)容（擴(kuò)大區(qū)塊容量）、犧牲部分去中心化的DPoS和pBFT共識(shí)機(jī)制、不同于區(qū)塊鏈的DAG、鏈下擴(kuò)容（子鏈和側(cè)鏈），以及分片。
分片（Sharding）技術(shù)，被認(rèn)為是一種有效的、能夠解決區(qū)塊鏈吞吐量問題的解決方案。
一、起源
分片原本是一種數(shù)據(jù)庫(kù)分區(qū)技術(shù)，能夠?qū)⒁粋�(gè)大型的數(shù)據(jù)庫(kù)分割成小的數(shù)據(jù)碎片，并將這些碎片儲(chǔ)存在不同的服務(wù)器上，使其能夠更快更有效地管理數(shù)據(jù)。
而區(qū)塊鏈中的分片技術(shù)，是在2015年初次提出的。當(dāng)時(shí)新加坡國(guó)立大學(xué)的一對(duì)師生，在國(guó)際頂尖安全會(huì)議CCS上發(fā)表了一篇論文《A Secure Sharding Protocol For Open Blockchains》，首次提出了區(qū)塊鏈領(lǐng)域中的分片概念。
后來(lái)，這對(duì)師生發(fā)展出了第一個(gè)分片技術(shù)的落地項(xiàng)目Zilliqa，它結(jié)合pBFT和PoW共識(shí)機(jī)制，有6個(gè)分片，3600個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)能夠達(dá)到每秒處理2800次交易的速度，是目前公鏈中處理速度最快的。
珠玉在前，很多為擴(kuò)展性煩惱不已的項(xiàng)目開始考慮將分片技術(shù)應(yīng)用在自家的區(qū)塊鏈上，比如以太坊，V神已經(jīng)打算在以太坊的區(qū)塊鏈上應(yīng)用分片技術(shù)來(lái)擴(kuò)大吞吐量了。此外，還有很多以此為核心技術(shù)的新項(xiàng)目正在出現(xiàn)，當(dāng)然其中也不乏打著分片旗號(hào)掛羊頭賣狗肉的項(xiàng)目。
不過(guò)，分片技術(shù)并不是那么容易掌握的。
二、分類和原理
分片技術(shù)，有這么幾大類：網(wǎng)絡(luò)分片、交易分片、狀態(tài)分片。它們的基本原理，都是“化整為零，分而治之”，用多個(gè)分片同時(shí)處理不同的交易，最后匯總到主鏈上。
首先，網(wǎng)絡(luò)分片。網(wǎng)絡(luò)分片較為簡(jiǎn)單，但也最為重要，因?yàn)槠渌制瑱C(jī)制都必須建立在網(wǎng)絡(luò)分片之上。網(wǎng)絡(luò)分片首先要保證安全，預(yù)防網(wǎng)絡(luò)攻擊和惡意節(jié)點(diǎn)的干擾，隨機(jī)抽取出特定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建成一個(gè)分片。當(dāng)形成多個(gè)分片后，分片中自行建立共識(shí)，對(duì)交易進(jìn)行確認(rèn)。這些分片可以同時(shí)、平行地處理相互未建立連接的交易，提高網(wǎng)絡(luò)并發(fā)量。
Zilliqa便是運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分片，然后配合網(wǎng)絡(luò)分片的共識(shí)機(jī)制，即pBFT共識(shí)機(jī)制和PoW共識(shí)機(jī)制，來(lái)提升交易速度的。在其中，共識(shí)機(jī)制之所以重要，在于確認(rèn)一筆交易，使用pBFT共識(shí)機(jī)制，可以提高確認(rèn)速度；而在建立分片之前，要先對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊進(jìn)行防范，Zilliqa加入PoW機(jī)制，就可以有效地阻止女巫攻擊（Sybil Attacks）和惡意節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入。
其次是交易分片。網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建好的分片處理不同的交易，劃分為不同的交易分片，交易劃分的依據(jù)可以是交易發(fā)起者的地址。
假設(shè)有人用一個(gè)地址向兩個(gè)人發(fā)起相同的交易，即所謂的“雙花”，一般情況下，這兩筆交易將被劃分到同一個(gè)分片進(jìn)行處理，之后分片能夠迅速識(shí)別出相同的發(fā)起地址，從而阻止雙重花費(fèi)。
而如果這兩筆交易被分到了不同的分片，分片中的節(jié)點(diǎn)同樣能夠檢測(cè)出來(lái)，將這筆交易拒絕。不過(guò)，要防止雙花，在驗(yàn)證中就需要分片之間相互通信，這樣就會(huì)出現(xiàn)跨片交易的情況，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和效益。所以，這里的分片最好采用UTXO交易模型，更加容易監(jiān)測(cè)出雙花，以保證效率。
但UTXO會(huì)對(duì)大宗交易額進(jìn)行拆分，一定程度上會(huì)影響效率。不過(guò)，目前的交易分片技術(shù)已經(jīng)較為成熟，能夠允許多種共識(shí)機(jī)制運(yùn)行。
最后是狀態(tài)分片，這是最為復(fù)雜、最具有挑戰(zhàn)性的一種分片機(jī)制。狀態(tài)分片的核心在于，不同的分片能夠儲(chǔ)存不同的數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)，整個(gè)儲(chǔ)存庫(kù)被分開，分別放在了不同的分片上。每個(gè)分片儲(chǔ)存自己分片中的所有數(shù)據(jù)，而不是整個(gè)區(qū)塊鏈的狀態(tài)。
這一分片機(jī)制的挑戰(zhàn)在于：
首先，由于每個(gè)分片儲(chǔ)存的狀態(tài)不同，如果一筆交易的發(fā)起人和接收者處在兩個(gè)不同的分片，那么這兩個(gè)分片對(duì)于這筆交易的信息就應(yīng)該進(jìn)行共享，這樣一來(lái)，跨片交易的現(xiàn)象又出現(xiàn)了，兩個(gè)分片之間又得進(jìn)行頻繁的通信和狀態(tài)互換，將會(huì)大大影響分片的效益和性能。
然后，當(dāng)分片遭到攻擊不得不進(jìn)行脫機(jī)工作，其中的交易是無(wú)法被驗(yàn)證的。要解決這個(gè)問題，就必須在每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的存檔和備份，以幫助系統(tǒng)修復(fù)數(shù)據(jù)，但這樣的話，節(jié)點(diǎn)就必須要備份整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的狀態(tài)，失去狀態(tài)分片的意義，甚至還可能具有中心化的風(fēng)險(xiǎn)。
三、優(yōu)勢(shì)與阻礙
分片技術(shù)作為能解決區(qū)塊鏈拓展性問題的新技術(shù)之一，具有非常強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的發(fā)展前景。通過(guò)分片處理交易和數(shù)據(jù)的方式來(lái)消除區(qū)塊的擁堵，擴(kuò)大吞吐量，結(jié)合其他技術(shù)加強(qiáng)安全性和效率，進(jìn)行互補(bǔ)，是目前分片技術(shù)的主要運(yùn)用趨勢(shì)。
分片中安全性和性能的平衡是一個(gè)值得重視的問題，Zilliqa經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，決定用600個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)分片，這是因?yàn)?/span>600個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠到達(dá)性能和安全的最佳平衡。而如果為了提高TPS一味減少節(jié)點(diǎn)，對(duì)于分片的去中心化和安全性都是很不利的。
分片技術(shù)依然存在著很多難題需要解決，尤其是狀態(tài)分片，計(jì)算機(jī)技術(shù)人員尚未研究出好的解決方案。同時(shí)，分片的原理不僅僅在于如何分片，更在于如何對(duì)每個(gè)分片進(jìn)行安全有效的治理，很多項(xiàng)目一味追求其中的一個(gè)方面，忽視了區(qū)塊鏈的基本治理問題，這也是需要注意的。
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