区块链的可拓展性研究【04】分片-Toy模板网

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分片属于layer1扩容

区块链分片是一种技术实现，可以将区块链网络分成多个片段，每个片段负责处理一部分的交易数据。这种方法可以提高区块链网络的处理速度和吞吐量，降低交易确认时间和费用，同时也可以减轻节点运行负担。

在传统的区块链网络中，所有的交易都需要被所有节点共同验证和记录，这会造成网络拥堵和交易速度缓慢等问题。而区块链分片则将整个网络拆分成若干个小的片段，每个片段独立处理和验证其所包含的交易数据，从而大幅提高了网络的处理性能。

分片技术将整个区块链网络分成不同的分片，由各分片的节点负责处理所在分片的事务以及存储分片的状态，通过并行验证事务，整个区块链的吞吐量近似线性地提升；同时，随着节点数目的增加，整个网络的分片数量也随之增多，全网处理事务的能力将进一步提高。分片技术一般需要定义分片配置、片内和跨片共识协议、重配置方案等阶段，从而构成一个完整的分片区块链系统。

对于任何一种分片方式来说，需要解决如下两个主要问题：
内部共识的安全性
跨片操作的原子性

分类
网络分片 network sharding
网络分片是通过一定的组织方式将整个网络分成不同的分片，各个分片并行处理整个区块链中的部分交易，各部分的交易完全不相同，从而同时完成多笔交易的验证。
为了避免恶意节点过分填充一个分片、从而控制网络，通过可验证随机函数VRF，每隔一段时间随机抽取节点形成分片。
交易分片 transaction sharding
交易分片使得各个网络分片对交易具有更强的处理能力，将客户端的跨片交易分成若干个相关的子交易，不同分片的跨片易可以并行处理。
但是在基于UTXO的账本系统，一笔交易可能由多个输入和多个输出构成，因此一般通过交易的hash值分片。为了防止双花交易，必须要在所有分片间建立通讯。但是这种相互之间的通信开销可能会破坏交易分片的扩容效果。在基于帐户的系统，每个交易都将具有发件人的地址，通过发件人地址分片，造成双花的两笔交易会在同一个分片中得到验证，因此不需要在不同的分片中建立通讯，避免额外的通讯开销。
状态分片 state sharding
状态分片是将各部分完全不同的账本分别存储在各个分片(分片内的节点往往存储同一版本的账本)，整个分片网络组成一个完整的账本，可以减少各个节点存储账本的压力。
状态分片的关键是将整个存储区分开，让不同的分片存储不同的部分，每个节点只负责托管自己的分片数据，而不是存储完整的区块链状态。可以减少状态的冗余存储，使得整个区块链网络具有存储的可扩展性。但是状态分片有以下几个问题需要解决，1）会导致频繁的跨片通讯；2）由于系统状态没有在所有分片中复制，因此网络一旦有交易的输入是来自脱机的分片，那么这笔交易将无法得到验证；3）而且由于每个分片只保留了状态的一部分，所以在每次重新调整网络的过程中，必须要考虑防止调整过大而导致在同步完成前可能会出现的整个系统失效的问题；

总体上来说，分片技术虽然在一定程度上有效地解决了区块链可扩展性问题，但还存在很多方面的不足需要改进。一方面，整个分片机制运行过程中有大量的时间用于处理交易以外的事情，组织分片、分片重配置需要花费大量的时间和开销。另一方面，状态分片是分片方式中极为难实现的一环，在状态分片的情境下，跨片交易的验证过程就变得极为困难，不同分片节点由于其存储账本不同而需要通过一定的方式进行交易转移或账本状态交流。

步骤

分片配置
对于整个网络来说，首先要实现网络分片，基于安全性和效率考虑，通常使用随机函数进行分片。
例如，可以让加入的节点去计算PoW，通过计算结果的hash分片；或者通过账号地址，等参数分片，其地址本身也是hash值，因此也相当于随机分片。分片重配置
为了保证各个分片的安全性以及防止节点之间作恶的行为发生，在一个分片纪元过后，一部分节点从原有分片中取出与其他分片中的节点进行交换。
虽然二次全随机分片能够尽量保证分片后区块链网络的安全性，但是在重配置的过程中整个网络对于交易的验证停滞，全网都要在重配置前后进行新旧账本的交接，无论在开销上还是时间上都大幅度降低整个区块链的性能。因此还有部分重分配和自由选择重分配的方式减少再次分片中的开销，但这都是以安全性为代价的。片内共识
在完成分片配置后，区块链需要进行交易共识，共识分为片内共识和跨片共识。片内共识要求同一分片内各个节点按照所在分片的协议进行共识和广播，最终得出整个分片的共识结果。片内共识协议主要分为基于PoW的片内共识协议和基于BFT的片内共识协议。跨片共识
跨片共识不同于片内共识，片内共识时片内各个节点经过彼此间广播可直接进行交流，由于所存储信息不相交，跨片共识时不同分片之间各节点在交易验证过程中需要交流账本状态，因此跨片交流的基本单位是各个分片，不同分片执行共同的跨片协议实现共识。跨片共识的主要方式有交易原子化、交易集中化和采用类路由协议。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-767935.html

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