什么是区块链中的分片？

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关键要点

区块链中的分片试图提高去中心化网络吞吐量和许多区块链协议的扩展潜力。随着开发的继续和分片的启用，可能会在历史上首次解决区块链三难困境。分片似乎是解决扩展问题的理想解决方案，但目前在其成功的道路上存在几个问题，例如操作复杂性和延迟。

已经俘获了全世界人民的心智和资金。过去十年在创新方面取得了巨大的成功，但仍有几个问题阻碍了该技术的主流采用。支付是我们日常生活的一部分，虽然传统的支付网络在由专家团队管理的复杂基础设施上运行，但几乎没有向最终用户显示任何内容。

可扩展性问题

Visa 和 Mastercard 等现代集中式支付网络可以处理大约 2,000 笔交易，这与比特币每秒管理的五笔交易相去甚远。这是阻碍分散式网络的最重要因素，但解决问题并不像听起来那么简单.

加密货币行业对去中心化有着近乎宗教般的痴迷，创建以相同效率运行的分布式系统不仅具有挑战性，而且几乎是不可能的。与中心化模型不同，区块链网络通常由开源社区开发，缺乏改进技术的动力。

虽然企业财务系统需要高性能，但交易速度慢并不是唯一的问题。网络拥塞可能导致过高的，就像 2017 年的情况一样，这对于大多数用例来说是不切实际的。

自比特币诞生以来，行业一直在努力解决扩容问题。在过去的十年中，从块大小和 a 到其他第 2 层解决方案，已经进行了许多尝试来提高网络吞吐量。然而，很少有人能取得比遥遥领先的成功，而且通常以牺牲其他系统特性为代价，例如它的去中心化程度。

区块链三难困境代表了在不牺牲这三个属性之一的情况下创建可扩展、安全和去中心化网络的挑战。去年，在全球大流行和经济普遍低迷的情况下，创历史新高，被锁定的 ETH 总价值上涨了 7,000% 以上。从政府和中央银行到对冲基金和散户投资者，人们已经开始关注加密货币，但区块链可能还没有准备好。

目前几乎全部运行在 .随着越来越多的人加入，区块链的扩展能力将成为该行业未来几年的主要瓶颈。以太坊 2.0 已经开发多年，虽然该链已正式启动，但其分片结构等核心功能尚未实现。然而，随着开发的继续和分片的启用，以太坊 2.0 可能会有史以来第一次解决区块链三难困境。

分片扩展

提高网络的安全性

第 2 层解决方案仍然是使区块链网络大规模可用的必要部分。这些协议通常涉及计算被卸载的第二个网络层，在不对基础链进行任何更改的情况下创建更多的空间。此外，在构建第二层时，可以使用原始链的元素。

这有助于提高网络的安全性，并且通过实施第 1 层和第 2 层扩展解决方案的混合方法，开发人员希望在不影响其安全性或去中心化的情况下提高区块链的性能。以太坊已经支持各种 Layer-2 解决方案，例如 Raiden、Plasma 和 rollups，它们处理基础层上的瓶颈计算。

更快地验证单个交易

Plasma 实现了“子链”，每秒可以单独处理多达 15 笔交易，而 Raiden 更像是一种链下解决方案，用于开放参与者可以资助的支付渠道。这两个协议齐头并进，在 Raiden 上通过 Plasma 处理和触发支付渠道。

另一方面，分片将节点分成组，因此每个节点不必验证整个链。最初，创建此技术是为了将大型数据库水平划分为更易于管理的块。

解释以太坊分片

这在电子表格方面更容易理解，垂直拆分表格会使每个部分没有其他部分毫无意义。然而，水平分割将保持每个部分相互关联，同时在拼凑在一起时也能提供完整的画面。当这个概念被外推到区块链时，链的状态被分割成称为碎片的块。

这允许分片更快地验证单个交易，而其他以太坊节点则将分片链作为一个整体进行验证。大多数与to相关的操作都是按顺序发生的，一个动作一个接一个地结束。事实上，每一步都取决于上一步的成功完成。随着网络规模和用户数量的增长，顺序处理会导致不切实际的低效率水平。

为了解决这个问题，并行处理是一种更可行的选择。通过将区块链分成多个部分并并行处理它们，分片应该从根本上提高网络一次可以处理的计算量。即使是少量的分片也能显着提高以太坊的扩展潜力，但有近 7,000 个节点可供使用，结果可能会更加显着。

计划是将以太坊 2.0 划分为 1,024 个分片，理论上可以将其吞吐量扩大一千倍。与集中式系统不同，没有服务器来跟踪网络的状态。这需要由链上的节点来完成，减少每个节点的工作量可以让以太坊在不需要昂贵硬件参与的节点的情况下进行扩展。

实施分片的最关键部分之一是以太坊的迁移。比特币使用 PoW，它鼓励竞争解决数学问题以验证交易以获得赢得区块奖励（目前为 6.25 BTC）的机会。

比特币挖矿和能源消耗

这种共识算法的问题在于其巨大的电力需求，需要大量电力来计算挖掘链所需的必要计算。报告估计，比特币的全球电力消耗与一个小国家一样多，虽然向可再生能源的广泛转变是一个稍微更具可持续性的选择，但不断升级的计算需求意味着其能源需求只会继续增长。

无需让矿工购买昂贵的专用设备来参与挖矿过程，权益证明允许网络参与者根据他们在网络中的权益来验证交易。参与者锁定或“质押”代币，根据质押代币的数量，验证者有机会挖掘下一个区块。这在保持网络的安全性和去中心化水平的同时大大减少了能源消耗。

在以太坊 2.0 上，网络的整体状态被称为“全局状态”。这种状态被分解为分片，每个分片都拥有自己的状态。全局状态、分片和分片的状态共同构成一棵 Merkle 树，其中树的每一层都源自上一层的节点。

当最终在以太坊 2.0 上激活分片时，其状态将被拆分为多个分片，每个唯一帐户都属于一个特定的分片。正如以太坊创造者 Vitalik Buterin 在 Devcon 上所解释的那样，以太坊就像被分裂成无数岛屿，每个岛屿都可以独立存在，同时与其他岛屿互动和共享资源。

以太坊 2.0 计划通过两个交互级别执行此操作。在第一个分片交互级别中，每个分片都有自己的事务组。该组被拆分为事务组标头，其中包含分片 ID、事务被放入其中之前的分片状态（前状态根）、添加事务后的状态（后状态根）、' “receipt root”以确认添加的交易，并随机选择一组验证者来验证分片链的数据。

每笔交易都会广播它所属的分片 ID，交易发生在该分片中的两个账户之间。通过指定状态前和状态后的根，此交互级别还揭示了状态转换。第二个交互级别充当一个简单的区块链，它接受事务组而不是单个事务，只有当组的前状态根与全局状态的分片根匹配时才会接受组。

此外，验证者必须在交易组接受之前验证交易组中的每个签名。一旦组被接受到一个块中，分片的后状态根就会更新以匹配全局状态根。

分片中的复杂通信

分片是一个绝妙的概念，可以改变我们金融系统的运作方式，但它并不是特别有用，除非各个分片可以相互通信。为了使系统高效，分片必须有效交互，同时减少通信瓶颈和费用。

为此，分片仅在必要时进行通信，但开发人员面临的最大挑战是在保持相同安全级别的同时实现跨分片通信和扩展。以太坊 2.0 使用“收据范式”来实现这一点，采用分布式共享内存将收据存储在 .

其他分片仍然可以看到以太坊 2.0 信标链中的收据，但由于区块链网络的不可变特性，它们无法修改它们。这允许分片互惠互利，而不会影响网络实现最终性的能力。从表面上看，分片似乎是解决扩展问题的理想解决方案，但目前在通往成功的道路上存在几个问题，例如操作复杂性和延迟。

为了应对运营的复杂性，Buterin 宣布了两项提议，以开发具有最小共识层框架的全分片网络。这些提案应为开发设计复杂的智能合约框架提供足够的支持，同时使用第 2 层抽象实现跨分片通信，以便在区块链上进行传输和代码执行。

要将令牌从一个分片发送到另一个分片，涉及到许多过程，这些过程会在方程式中引入延迟。解决这个问题包括使用“通过 Optimistic Receipt Root 进行快速跨分片传输”解决方案。除了拗口之外，该解决方案还允许网络临时更改帐户的状态，直到交易得到验证。这将使分片能够确保最终确定性，而无需考虑通信延迟。

转账一经验证，如果有效，则交易成为永久性交易，否则将被撤销。然而，这确实发掘了大型矿池接管系统并集中其运营的潜力，主要是因为大多数分片将仅以整个链的哈希率的一小部分运行。

以太坊 2.0 发布的最后阶段

以太坊 2.0 第 0 阶段发布于去年年底，自那时以来，验证者已向其质押存款合约发送了超过 350 万个 ETH。尽管如此，阶段 0 仅标志着以太坊 2.0 的权益证明实施的启动，并且只有在阶段 1 网络才会激活其分片机制。

第一阶段应该在今年进行，将区块链划分为 64 个相互同步的并行分片链。在这个阶段之后，网络应该能够同时处理来自 64 个区块的交易，同时大大减少主信标链上的负载。

中间阶段 1.5 涉及将原始工作证明链与新信标链集成，创建新的权益证明链。这将允许 Eth1 作为 64 个分片链之一存在，并完成其整个交易历史，而无需运行耗电的 PoW 算法。

第 2 阶段将涉及对账户、交易和智能合约执行的微调，虽然这是以太坊 2.0 发布的最后阶段，但它可能是最重要的阶段。实现分片异常复杂，从长远来看，网络分阶段启动可能是最好的。

结论

在过去的十年中，区块链因其未来的潜力和当前的局限性而备受赞誉和批评，它缺乏真正强大的扩展解决方案，这将许多项目推向了更集中的机制。随着区块链的发展，以及 Plasma 和 Raiden 等第 2 层解决方案，分片可以在网络上实现前所未有的吞吐量水平，从而证明这些年来区块链支持者的主张。