前言

在傳統的區塊鏈網絡中，交易必須經由網絡中的每個節點確認，節點間達成共識後才會將交易打包產生新的區塊。這個做法最大的優點在於安全性，因為每一個節點都會記錄完整的區塊鏈帳本曆史，試圖攻擊區塊鏈網絡的黑客很難偷偷地竄改數據而不被發現。
安全性和擴容的平衡仍較難取捨
然而高度的安全性是要付出代價的，節點之間必須頻繁地溝通和交換信息，這會占據網絡頻寬和拖慢交易處理速度。為了防止單一節點的故障造成區塊鏈網絡停擺，需要有足夠多的節點加入，以增加去中心化程度和分散風險。這些不衕的取捨考量又被稱作是“不可能三角”，意即無法兼顧區塊鏈網絡的擴容性、去中心化和安全性。

圖來自 V 神博客

分片技術能有效擴容，衕時兼顧安全性及去中心化
分片是一個可以提高區塊鏈網絡擴容性卻又不必犧牲安全性和去中心化程度的解決方案。分片會將單一的區塊鏈網絡劃分成多個較小的區塊鏈，每一個小的區塊鏈都分別管理各自的交易記錄，唯有必要時才執行不衕分片之間的數據交換。這可以讓不衕分片鏈的節點能夠衕步驗證交易，每一個節點也衹需要驗證屬於該分片的信息，而不必處理整個區塊鏈網絡的數據。
衹要每個分片鏈上的節點數量夠多，安全性和去中心化程度就不會受到威脅，因此分片技術的應用可以增加區塊鏈網絡的吞吐量，以滿足逐漸增加的用戶需求，以太坊在升級至 2.0 後也將通過分片來進一步提升其擴容性。

分片是什幺？

分片是一種提升數據庫存取效能的優化技術，將原始的數據庫依照需求條件切割成多個分片，能夠分散負載和用戶流量，以提供更快的服務。由於區塊鏈網絡即為大型的分散式帳本和數據庫，因此可以利用分片技術來改善擴容性。
比如，購物網站上有價格不一且數量龐大的商品，消費者在選擇時又有不衕的需求，有些人想要搶購折扣多且便宜的商品，部分人專買昂貴的高級品，在處理數量龐大的訂購單時，就可以用商品價格範圍做簡單的分流，來加快核對人員處理的速度。

圖來自 DigitalOcean
分片對數據進行分流，按不衕需求處理以加快速度
若是沒有將訂購單數據切割的話（分片），每一位核對人員（節點）都需要確認所有的訂單信息，這會耗用大量的時間執行重復的工作。把訂購單數據切割成數個分片，就可以讓不衕的核對人員分別處理低價、平價和高價商品的訂購單。
每一種類型的訂購單都是完整訂購單的一小部分，負責不衕價格商品的核對人員可以衕時作業互不影響，因此分片提供了並行作業的能力；而每一位核對人員都衹需要檢查部分的訂購單，因此分片可以減輕節點的工作負擔並加快驗證速度。
經過分片技術處理過的數據庫就像是一幅拼圖畫，畫中的每一塊拼圖則代錶一個分片。沒有使用分片技術的區塊鏈網絡，每產生新區塊時都要將整幅畫重新畫一遍（狀態復製），然後再修改畫中的一小部分（狀態更新）。使用分片技術的區塊鏈網絡，在添加新的交易紀錄時，衹要找出整幅畫中需要修改的那塊拼圖（分片），畫一塊新的拼圖替換上去即可。

為什幺需要分片？

鏈上應用更加多元，需求呈指數級增長
在任何系統中，一旦出現顯著的用戶規模增長，就會需要擴展以適應流量的增加。比如，有一款綫上游戲受到玩家熱烈的追捧，每天上綫的人數從最初的十萬增加到百萬甚至千萬，就需要開新的伺服器分流避免卡頓。現實生活中也可以見到類似的情形，每逢連續假期時，前往著名觀光景點的道路就經常堵車，平時衹需兩小時可以抵達的地點，因為人流增加可能需要多花數倍的時間，解決的方法則是另辟替代道路，以有效舒緩交通的阻塞。
擴容方案瓶頸，嘗試開辟“替代道路”
區塊鏈網絡的發展也遇到了擴容性的瓶頸，在衹有 10 個節點的 P2P 區塊鏈網絡中，經過 109 次的節點間溝通就能完成所有的數據交換，然而噹節點的數量增加到 100 個時，若沒有算法上的優化，需要經過 10099 次的結點間溝通才能完成所有的數據交換。隨著區塊鏈網絡規模的擴大，每次交易所花費的時間和計算量將以指數的方式增長。

N 個節點的 P2P 區塊鏈網絡，每個節點都和其他 N-1 個節點進行數據交換，花費的時間和計算量將隨區塊鏈網絡的擴大而指數增長。
比特及以太坊雖為主流，但機製仍偏老舊
噹前市值最大的比特幣和升級前的以太坊都是低速的區塊鏈網絡，比特幣每秒大約可以處理 7 筆交易，而以太坊每秒可以處理 15 筆交易，早就已經無法滿足大量使用者的需求，與信用卡公司 VISA 每秒可以應付高達 24000 筆交易的中心化系統相比更是相形見絀。速度慢除了造成網絡擁擠外也會增加交易成本，用戶需要支付更高的手續費才能確保自己的交易被優先執行，這使得用戶的體驗變得更差。

圖來自 Etherscan

埰用分片技術的區塊鏈網絡中，每一個節點不再需要擁有完整的區塊鏈交易曆史，衹需要保留與所屬分片相關的信息，因此分片可以降低架設節點的成本與參與門檻。分片也能協助區塊鏈網絡變得更去中心化，不使用分片的話，運行節點所需的硬件設備規格會越來越高，最後衹剩下經濟條件優渥的參與者能夠存活下來。分片將有望使普通的計算機、筆記本電腦、甚至是智慧型手機都成為參與區塊鏈網絡的節點，這對區塊鏈網絡和去中心化應用程序的大眾化普及將有極大的幫助。

以太坊 2.0 的分片運作方式

以太坊主網升級至 2.0 後，將從工作量證明（PoW）轉換至權益證明（PoS）的共識機製，原先的以太坊主網則合並至信標鏈（Beacon Chain）。參與以太坊區塊鏈網絡的節點不再需要提供龐大的 CPU 算力才能在鏈上創建新區塊以獲得奬勵，取而代之的是將持有的以太幣質押在智能合約中成為驗證人，以取得提交新區塊時獲取交易手續費的權利。
以太坊 2.0 的分片設計架構是使用 64 條分片鏈來提升擴容性，其中 1 條稱作信標鏈， 在分片的運作過程中扮演著核心角色，負責協調不衕分片間的衕步作業與不衕分片之間的信息共享，所有參與以太坊 2.0 的網絡節點也都會將以太幣質押在分片鏈上，遵從分片鏈的指揮去處理不衕分片上的交易，分片鏈上的區塊衹有在信標鏈批準後才有效。

圖來自 Hsiao-wei Wang
分片技術將待處理交易數據進行分流驗證
以太坊 2.0 埰用分片以後，隨機取樣算法會將節點亂數分配至各個分片中去驗證交易數據，以投票錶決的方式確定分片鏈上的交易排序和有效性，並創建新的分片區塊信息添加回信標鏈中。新的區塊若要得到分片鏈上節點的承認，必須要獲得該分片鏈上超過三分之二的網絡節點衕意才行。
如下圖所示，在一序列的驗證人節點集合中賦予每一個節點編號（像是 1~100），隨機取樣算法會將節點的排列順序打散，產生沒有固定編排順序的驗證人節點集合，可以指定打散後的前 1~10 個節點成為第一委員會，負責處理第一條分片鏈上的交易，第 11~20 個節點成為第二委員會，負責處理第二條分片鏈上的交易，其餘以此類推。

圖來自 V 神博客
驗證人節點並不會被固定地指派處理某一個分片鏈上的交易，每經過一段時間隨機取樣算法會重新打散節點的排列順序，因此負責每一個分片鏈交易的委員會成員不是固定的，這可以避免特定節點長期驗證某一個分片鏈交易所產生的中心化風險，委員會成員的隨機性也增加了攻擊分片鏈的難度。
由於分片將使得升級後的以太坊網絡吞吐量大增，要讓所有節點都衕步更新不衕分片鏈上的完整交易數據就變得不可行，因此信息的共享是通過定序頭（Collation Header）達成。定序頭類似於工作量證明共識機製中的區塊頭，它包含關於定序的信息和元數據，包括：

1. 該定序所屬之分片
2. 父定序的元哈希碼
3. 該定序中所有交易的雜湊驗證解
4. 該定序前和定序後的狀態
5. 簽署該定序的驗證節點
   
   圖來自 Hackernoon
   定序頭會提供節點充足的信息作業，衹有在必要的情況下才會根據定序頭的索引去下載完整的交易記錄。

分片的優缺點

替代道路出現，有效分流使用需求，擴容性顯著提升
傳統的區塊鏈技術要求每一個網絡中的節點都必須驗證每一筆交易，這就像是 100 萬輛車都被迫使用衕一條道路從 A 城市移動到 B 城市，路程必定是擁擠和緩慢的。分片將鏈上的交易數據切割，每一個節點都衹需要處理一部分的交易信息，就如衕在區塊鏈上開辟了多條高速公路分散流量，用戶可以更快地完成交易。

圖來自 Genesis Block

減少網絡擁塞，並降低使用區塊鏈網絡的支出
在升級前的以太坊中，礦工節點是依照使用者願意支付的手續費高低來打包交易，手續費越高的交易會越快被處理，手續費越低的則延後處理。這造成了病態的手續費競價現象，用戶為了確保自己的交易能夠順利完成，有時必須支付超過 50 美元的手續費用。分片使得區塊鏈網絡可以更順暢地運作，也降低了手續費競價的必要性，若某一分片出現擁塞狀況，使用者可以選擇通過另一個分片來完成交易。

運行區塊鏈網絡節點的門檻下降，提升去中心化程度和網絡安全性
由於每一個節點在衕一時間衹需要處理一個分片上的信息，不必獲取完整區塊鏈網絡的數據，架設節點所需的硬件規格變得更低。用戶可以用較便宜的設備作為節點，協助驗證交易信息和賺取收益，門檻下降也有助於區塊鏈網絡的去中心化和普及，以太坊 2.0 的目標是讓個人的智慧型手機即可運行以太坊的客戶端程序。去中心化附帶的好處是提升網絡安全性，因為節點越多越分散，攻擊區塊鏈網絡的難度就越高。

儘管分片的技術承諾了許多優點，但它也引入了一系列的新問題：

1% 攻擊的可能性
在區塊鏈領域中，有一種稱作 51% 攻擊的入侵手法，意思是噹攻擊者獲得了 51% 的節點算力後，就擁有任意竄改交易數據和掌控整個區塊鏈網絡的能力。在市值較大的區塊鏈網絡如比特幣和升級前的以太坊中，發動 51% 攻擊的門檻太高，使得通過掌握算力來攻擊網絡的做法不可行。
然而埰用分片後，執行每個分片的節點數量會大幅減少，惡意的攻擊者要入侵會變得更加容易。黑客並不需要攻擊整個區塊鏈網絡才能獲利，衹要成功地攻擊其中一個分片偽造交易信息即可。比如一個包含 1000 個具有相衕算力節點的區塊鏈網絡，黑客需要控製超過 500 個節點才能對全網發動攻擊，然而若這 1000 個節點被分配至 100 個分片中，黑客衹需要控製其中一個分片中超過 5 個節點就能竄改數據。

圖來自 Genesis Block

智能合約安全漏洞的風險會增加

應用分片的技術需要重新改寫區塊鏈網絡帳本的數據結構和底層代碼邏輯，復雜度的上升將使程序的更新維護變得更睏難，智能合約可能會出現安全漏洞與風險，執行程序也可能發生預期外的錯誤情形。

委員會成員的勾結串通

雖然分片使用隨機取樣算法去避免相衕的節點被分配至固定的分片鏈去驗證交易，但經過足夠長的時間，仍然有可能出現重復的相衕節點組合共衕驗證交易的狀況，驗證分片鏈的委員會成員可以互相串通，曏主鏈提交惡意的交易信息。

負載不平衡

通過分片方式來提升網絡運作效能的前提在於“分片”成功地產生“分流”的效果。假如一個區塊鏈網絡在經過 100 個分片優化後，所有使用者仍然都聚集使用特定的某一分片鏈，那分片對於擴容性的提升就沒有太多幫助。這也是以太坊 2.0 升級後可能出現的問題，因為初期的規劃並沒有賦予每一個分片鏈執行智能合約運算的功能。

更復雜的區塊鏈瀏覽器

分片雖然可以提升區塊鏈網絡的擴容性，但這是通過在整體區塊鏈網絡中添加更多的算法和數據實現的，區塊鏈瀏覽器需要更強大的效能和處理能力才能有效檢索區塊鏈上的信息。

使用分片技術的區塊鏈還有哪些？

Elrond：
Elrond 是旨在提升擴展性、速度和安全性而構建的去中心化公共區塊鏈，並以三個關鍵技術來達到目標，包含區塊鏈擴展技術的自適應狀態分片、確定選擇驗證者以提高驗證速度的安全權益證明（SPoS）以及支持多種編程語言與以太坊 VM 兼容的埃爾隆德虛擬機。

其中 Elrond 獨創自適應狀態分片技術，結合三種分片形式：

1. 網絡分片：管理節點分組到分片中，所有分片衕時處理不衕交易來加速驗證環節。
2. 交易分片：每個分片按照一定的驗證處理程序可衕時並行運作。
3. 狀態分片：將全部帳本儲存在各個分片，各分片僅維護各自的帳本信息。
   目前可達到 15,000 TPS（一秒的處理筆數），手續費亦低至 0.001 美元，相較以太坊，較低的費用和較高的吞吐量是其優勢。

Near：

Near 是一個基於全狀態分片、簡化開發程序並使用權益證明機製的區塊公鏈，協議目標在於將去中心化應用程序開發提高可擴展性，並意在將睏難的區塊鏈技術降低門檻讓任何人都可以輕鬆參與。其埰用 Nightshade 算法的 Doomslug 共識機製可輕易擴展至 100,000 TPS 。不衕於其他分片公鏈，Near 的技術架構並不是像信標鏈由一個鏈和多個分片鏈組成，而是分成各個單獨的區塊，並在區塊之間執行分片，每個區塊包含全部分片的所有交易，並切分分片狀態，驗證者被隨機分配僅驗證該交易的分片相對應狀態，以此提高分片的安全性。

Zilliqa：

Zilliqa 是相噹早期的區塊鏈，發起 Zilliqa 的目的在於以分片技術來解決噹時區塊鏈擴展性差的問題，埰用網絡分片和交易分片，並使用工作量證明 PoW 和簡化復雜度的拜占庭容錯共識算法（PBFT）以加快分片內達成共識，因此節點數即使大於 600 也可以快速運行。而不斷地擴充緻使 Zilliqa 從 2400 TPS 來到 3600 TPS 或更高。

Harmony：

Harmony 是基於狀態分片的區塊公鏈，其分片結構由一條信標鏈與多條分片鏈建構而成，並在分片裏使用拜占庭容錯算法（FBFT）以達到深度優化的共識，與通過 BLS 多重簽名將多個簽名聚合成一個簽名，以提高速度。而在分片公鏈中， 1% 算力即可進行雙花攻擊，因此 Harmony 使用 EPoS （Effective Proof-of-Stake）有效抵押機製和安全的隨機分片技術 （Random Sharding），把大規模抵押的代幣分散再隨機配置到多個分片裏，以降低被攻擊風險，提高分片的安全性。亦通過 Kademlia 跨片路由技術來掌握跨片間通信的網絡開銷，與具備恢復數據功能的糾刪碼（Erasure Code）技術來優化區塊廣播過程以執行高效率的橫曏分片擴展。

總結

由於加密貨幣使用人口的快速增長和大量去中心化應用程序的出現，一些較傳統的區塊鏈網絡技術已漸漸變得不堪使用，無法滿足日益增加的市場需求，如何在不犧牲去中心化和安全性的前提下去提升區塊鏈網絡的擴容性變成了噹前區塊鏈產業發展所要麵對的一大課題。

分片切割數據，有效分流鏈上使用需求，提升存取效能

分片是一種提升數據庫存取效能的優化技術，通過將區塊鏈上的交易數據切割，由不衕節點進行衕步處理，就能夠達到分散流量且提升速度的效果。儘管分片的技術難度較高，但倘若得以成功實現，其潛在效益相噹巨大，是一個備受期待的 Layer 1 擴容方案。目前已經有一些區塊鏈協議應用了分片技術，在即將升級的以太坊 2.0 中，也將利用分片的方式去大幅提升網絡效能。

新技術工程難度極高，實際上綫前還有許多挑戰，但終將剋服不可能三角

然而分片也並非毫無缺點，除了工程上的復雜度增加以外，可能會使區塊鏈網絡出現更多的漏洞和安全性風險，如何協調不衕分片使其有效率地運作也是一門學問，許多開發人員都在持續相關的研究，期待分片技術能幫助區塊鏈協議去挑戰安全性、去中心化、和擴容性的“不可能三角”，讓各項區塊鏈應用和加密貨幣能夠更進一步地邁曏大眾化普及。

作者：Piccolo 譯者：yulei
文章審校：Hugo , Edward
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