什么是分片技術(shù)

在區(qū)塊鏈行業(yè)，我們經(jīng)常能聽(tīng)到“區(qū)塊擁堵”“交易速度太慢”等詞匯，事實(shí)確實(shí)如此，近年來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)的用戶需求已經(jīng)給底層公鏈帶來(lái)了越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，比特幣社區(qū)曾為了這一問(wèn)題的解決方案發(fā)生過(guò)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的爭(zhēng)執(zhí)，甚至導(dǎo)致社區(qū)分裂；而以太坊也一度因?yàn)橐粋€(gè)掛在公鏈上的小小游戲“加密貓”而長(zhǎng)時(shí)間擁堵不堪。

區(qū)塊鏈技術(shù)面臨著一個(gè)巨大的瓶頸，那就是——公鏈的可擴(kuò)展性不夠。為此，開(kāi)發(fā)者們絞盡腦汁地提出了各種各樣的方案來(lái)試圖有效提升區(qū)塊的吞吐量（TPS），我們稱這一過(guò)程為“擴(kuò)容”。

“擴(kuò)容”又分為“鏈上”和“鏈下”兩種，如果我們把區(qū)塊鏈比作一條公路，“鏈上擴(kuò)容”就好比對(duì)公路本身進(jìn)行重建，比如拓寬道路；“鏈下擴(kuò)容”則選擇另外的途徑減輕公路負(fù)擔(dān)，比如建造輔路。而“分片技術(shù)”就是“鏈上擴(kuò)容”的方案之一，它被認(rèn)為是能夠有效解決區(qū)塊鏈吞吐量問(wèn)題的解決方案。

所以，今天小K君就給大家講一下，到底什么是“分片技術(shù)”。

什么是分片技術(shù)？

首先，分片技術(shù)是基于傳統(tǒng)的“數(shù)據(jù)庫(kù)分片”這一概念而產(chǎn)生的一種擴(kuò)容技術(shù)。傳統(tǒng)的“數(shù)據(jù)庫(kù)分片”是把數(shù)據(jù)庫(kù)分割成多個(gè)碎片，并經(jīng)這些碎片儲(chǔ)存在不同的服務(wù)器上，使系統(tǒng)能夠更快更有效地管理數(shù)據(jù)。它給公共區(qū)塊鏈帶來(lái)的啟發(fā)是，可以將網(wǎng)絡(luò)上的交易分成不同的碎片，由網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點(diǎn)組成。當(dāng)有大量交易需要處理時(shí)，不同碎片上的節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)并行處理不一樣的交易，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需處理自己所接收到的一部分交易，就能在短時(shí)間內(nèi)完成大量的驗(yàn)證工作。

為了更好地理解它，我們?cè)俅我雱倓偹v的“公路”的例子：我們把區(qū)塊鏈比作高速公路，把待驗(yàn)證的交易比作汽車(chē)，把驗(yàn)證交易的節(jié)點(diǎn)比作收費(fèi)口。原本繁忙的高速公路上只有一個(gè)收費(fèi)站，收費(fèi)站里只有一個(gè)收費(fèi)口，車(chē)輛排著長(zhǎng)隊(duì)等待通過(guò)，結(jié)果就是越積越多，交通堵塞幾近癱瘓。而分片技術(shù)就好比把收費(fèi)站重修，增加了十個(gè)收費(fèi)口，極大提高了汽車(chē)通過(guò)的速度。以這樣的思路，分片技術(shù)能夠顯著提高區(qū)塊鏈的交易速度。

這一創(chuàng)造性的思路，首次被提出是在2015年。它是由一對(duì)來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)的師生，在國(guó)際頂尖安全會(huì)議CCS上發(fā)表的一篇論文《A Secure Sharding Protocol For Open Blockchains》中發(fā)布的。而這一對(duì)師生，后來(lái)也將這一理論付諸了行動(dòng)，發(fā)展出了第一個(gè)分片技術(shù)落地項(xiàng)目，名為“Zilliqa”。它的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中存在6個(gè)分片、3600個(gè)節(jié)點(diǎn)，其處理交易的速度能夠達(dá)到每秒2800個(gè)，是目前公鏈中的NO.1。分片技術(shù)也得到了以太坊創(chuàng)始人V神的認(rèn)可，他甚至已經(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。

將網(wǎng)絡(luò)分割為碎片可以允許更多的交易同時(shí)被處理和驗(yàn)證，并且隨著網(wǎng)絡(luò)的增長(zhǎng)，越來(lái)越多的節(jié)點(diǎn)加入，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)也被期待能夠處理越來(lái)越多的交易，這就實(shí)現(xiàn)了它“無(wú)限大”的可擴(kuò)展性。

雖然我們大概講了分片技術(shù)的整體思路，但具體的實(shí)施，卻并不如想象中的那樣容易。下面，小K君再給大家講講分片技術(shù)的具體技術(shù)原理。

分片技術(shù)的具體原理

目前我們分片技術(shù)主要有三大類(lèi)：網(wǎng)絡(luò)分片、交易分片、狀態(tài)分片。它們的基本原理都是“分流”，用多個(gè)分片同時(shí)處理不同的交易，再匯集到總鏈上。

網(wǎng)絡(luò)分片：

網(wǎng)絡(luò)分片較為簡(jiǎn)單，但也非常重要，它是被提出的最早的分片策略。它通過(guò)隨機(jī)抽取特定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)分片，當(dāng)形成多個(gè)分片后，分片內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)就會(huì)自行建立共識(shí)，對(duì)各自接收到的交易進(jìn)行確認(rèn)。

在此過(guò)程中需要注意安全性，分片會(huì)導(dǎo)致確認(rèn)同一筆交易的節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少，因此更加容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊和惡意節(jié)點(diǎn)的干擾。分片形成后，就可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)處理不同的交易，提高區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的效率。最早的分片技術(shù)項(xiàng)目“Zilliqa”就運(yùn)用了網(wǎng)絡(luò)分片。

交易分片：

網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)創(chuàng)建好了分片，這些分片會(huì)處理不同的交易，按照一定的依據(jù)（比如交易發(fā)起者的地址）將這些分片劃分成不同的交易分片。它解決了如何將一個(gè)交易分配到某個(gè)分片的問(wèn)題，就好像把收費(fèi)站的收費(fèi)口劃分成“大型貨車(chē)收費(fèi)口”和“家用小車(chē)收費(fèi)口”一樣。

試想有人用一個(gè)地址向兩個(gè)人發(fā)起相同的交易，這兩筆交易被分配到同一個(gè)分片進(jìn)行處理，之后分片就會(huì)識(shí)別出相同的交易發(fā)起地址，從而阻止雙重花費(fèi)。如果這兩個(gè)交易被分到了不同的分片，分片中的節(jié)點(diǎn)也同樣能檢測(cè)出來(lái)，將這筆交易拒絕。目前這種技術(shù)已經(jīng)很成熟，能夠適應(yīng)多種共識(shí)機(jī)制。

狀態(tài)分片：

狀態(tài)分片是目前最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的一種分片技術(shù)提案。它又提出，不同的分片需要儲(chǔ)存不同的數(shù)據(jù)，真正做到將數(shù)據(jù)庫(kù)分開(kāi)，數(shù)據(jù)都分散放在了不同的分片上。而每一個(gè)狀態(tài)分片中的節(jié)點(diǎn)都儲(chǔ)存著自己分片中的所有數(shù)據(jù)，而不是整個(gè)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)。

例如我們有兩個(gè)分片，有兩個(gè)用戶信息，那么每個(gè)分片就保留著其中之一的用戶的交易信息，而不是把兩者的交易信息都保留。

它目前面對(duì)的問(wèn)題有兩個(gè)，首先，不是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都儲(chǔ)存全網(wǎng)的每一筆交易信息，那么如果一筆交易的發(fā)起人和接受者處在兩個(gè)不同的分片上，交易信息就必須在兩個(gè)碎片之間進(jìn)行共享，兩個(gè)分片之間又進(jìn)行信息和狀態(tài)互換，更加降低了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的效率。

第二，如果某個(gè)分片遭受攻擊，其中的交易就會(huì)遭到中斷，別的分片的節(jié)點(diǎn)無(wú)法代替工作，只能從遭受攻擊的分片內(nèi)部節(jié)點(diǎn)開(kāi)始修復(fù)。也就是它的容錯(cuò)性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力就會(huì)降低，甚至還有過(guò)度中心化的風(fēng)險(xiǎn)。

總結(jié)

總來(lái)的說(shuō)，目前分片技術(shù)還有不少挑戰(zhàn)在，但確實(shí)能夠?qū)湹目蓴U(kuò)展性起到很大幫助。

首先，區(qū)塊鏈能夠使交易的處理速度迅速提升，如果我們將加密貨幣的未來(lái)與支付手段聯(lián)系在一起，以更低的費(fèi)用搭配更高的處理能力，加密貨幣逐漸走向支付手段的路就能越走越寬。

其次，改善交易效率也會(huì)給區(qū)塊鏈帶來(lái)越來(lái)越多的用戶，更多基于區(qū)塊鏈而生的應(yīng)用程序可以大展身手。公鏈將變得越來(lái)越有吸引力，能夠吸引更多加入到公共網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)，從而形成一個(gè)良性循環(huán)。這些積極的趨勢(shì)所持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，我們就會(huì)越能看到主流的加密技術(shù)和落地應(yīng)用的出現(xiàn)。

當(dāng)然，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，雖然原理已經(jīng)被提出，但目前卻還未有最合適的解決途徑。

當(dāng)然，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，對(duì)于公鏈來(lái)說(shuō)，可擴(kuò)展性、安全性和去中心化缺一不可。相信不久的將來(lái)，我們就能得到一條“三角齊全”的理想公鏈。