根據木桶效應，一個系統的性能取決于它的短板。當下，制約區塊鏈應用大規模落地的短板正是可拓展性問題，因為區塊鏈的底層設計僅支持極低的交易吞吐量，還不及一些傳統工具的零頭。分片技術的出現給這一問題帶來了曙光，以至于有人說分片技術是解決可拓展性問題的靈丹妙藥。分片技術是怎樣解決問題的？

我們有一句古話：“是藥三分毒”，分片技術會給區塊鏈帶來那些新的問題？會給區塊鏈的安全性帶來哪些影響？如何跨過分片筑起的這一道高高的墻進行交易？我們需要找到分片技術的最佳平衡點，不能被噱頭忽悠瘸了。

資深區塊鏈記者 Lucas Mearian 結合對領軍人物的采訪，為我們帶來了這篇分片技術的指南，讓我們帶著上述的問題在文章中尋找答案。

[[256926]]

可拓展性一直是一個制約區塊鏈發展的難題，而在保證隱私性和安全性的前提下提升可拓展性則是難上加難。分片技術正是解決區塊鏈燃眉之急的靈丹妙藥，也正是它讓去中心化帳本技術如此熱門。但美中不足的是，分片技術也還有一些障礙需要解決。

近幾年來，區塊鏈技術的試點項目如雨后春筍般不斷涌現出來，從跨境金融交易到供應鏈管理層出不窮，但是，一個嚴重的問題一直存在：區塊鏈缺乏可擴展性。

隨著越來越多的計算機加入到區塊鏈的點對點網絡中，整個區塊鏈系統的效率將會不斷降低。

目前，業界已將可拓展性認定為比特幣和以太坊等加密貨幣亟需解決的問題。如果去中心化賬本技術想要與速度快其數百倍的支付網絡競爭以得到金融科技公司的采用，那么它必須找到一種方法來提高可擴展性和吞吐量并解決延遲問題。

走進分片技術

分片技術是開發人員用來提高交易吞吐量的幾種常見方法之一。簡單地說，分片就是一種在點對點網絡中分割計算能力和存儲工作負載的分區方式，分片后每個節點不再需要負責處理整個網絡的交易負載，而僅需處理其所在分區（或稱分片）中的交易。

與當前的區塊鏈相同，分片中包含的信息也是由多個節點共同維護的，從而保證了賬本的去中心化和安全性，啟用分片后每個人仍然可以看到賬本中的所有信息，只不過人們不再需要處理和存儲所有的信息。

共識的難題

圍繞共識協議的一系列問題一直困擾著所有公鏈項目，如何與用戶就提交的交易是否真實并應添加到去中心化賬本中達成協議？當下最流行的以工作量證明機制為代表的共識協議通常都是高度計算密集型的。

在基于工作量證明的區塊鏈中，每個參與的計算機（或稱節點）都要記錄區塊鏈中的所有數據，這也是共識過程的一部分。在比特幣這樣的大型區塊鏈中，大多數參與節點都必須驗證新交易并在驗證通過后將交易加入到區塊鏈中，這使得完成每筆交易都是一個緩慢而艱巨的過程。因此，基于工作量證明的比特幣每秒只能處理 3.3 到 7 筆交易，而區塊平均每 10 分鐘才生成一個，每筆交易可能需要 10 分鐘才能完成，為了確保交易成功，還需等待 6 個區塊時間。當下另一種流行的區塊鏈賬本以太坊，每秒也只能處理 12 到 30 筆交易。

相比之下，Visa 的電子支付網絡 VisaNet 平均每秒處理 1700 筆交易。

讓每個節點記錄區塊鏈中所有信息的好處是數據是無可爭議且不可更改的?；诠ぷ髁孔C明的區塊鏈是只寫一次的（ write-once ），因而區塊鏈中附加的許多應用程序也是不可更改的。

以太坊和 Hyperledger 是世界上領先的區塊鏈平臺，許多應用程序將它們用作底層區塊鏈，從簡單的以太幣等加密貨幣到復雜的智能合約（區塊鏈上自動執行的合約）。當下，以太坊正在積極探索分片技術，而 Hyperledger 則沒有。

全球最具權威的 IT 研究與顧問咨詢公司 Gartner 的副總裁兼杰出分析師 Avivah Litan 說：“分片是一個源于數據庫水平分區（對表的行進行分區，通過這樣的方式不同分組里面的物理列分割的數據集得以組合，從而進行個體分割（單分區）或集體分割（1 個或多個分區））的概念，被以太坊采用。有了分片技術，節點不再需要處理所有的交易，從而提高了區塊鏈的可擴展性。”

去年，在區塊鏈賬本和加密貨幣每天交易量超過一百萬筆之后，以太坊開始探索提高區塊鏈性能的方法。

以太坊提出了兩種解決思路。一種是“第 2 層”機制，即在鏈下的標準數據庫中處理交易，僅在區塊鏈上記錄永久條目，另一種解決思路是分片，從而同時并行處理大量的交易。

第 2 層協議將大多數交易轉移到鏈下，并且僅在進入和退出第 2 層系統時與底層區塊鏈進行交互。第 2 層協議中節點在局域網或相鄰的廣域網內互相傳輸數據，從而減輕了點對點的區塊鏈網絡的負載。

在啟用分片后，區塊鏈的“狀態”將被劃分給不同的分片（或稱分區）， Litan 解釋說，每個用戶帳戶也將被劃分給不同的分片，而帳戶只能與同一個分片上的其他帳戶進行交易。 “這樣的機制允許交易同時并行發生，” 她說，“然后由以太坊選擇的協議來實現跨分片的通信。”

分片安全嗎？

除了解決可擴展性問題之外，一些人認為分片還可以維護區塊鏈的本地安全性，正如以太坊創始人 Vitalik Buterin 當時在博客文章中寫到的，分片保留了“大部分區塊鏈所需的去中心化和安全屬性”。

“從理論上講，分片數量增加對于交易吞吐量的提升是線性關系。如果啟用四個分片，那么吞吐量大約會提高到四倍。我們可以選擇任意數量的分片。” Linux 基金會 Hyperledger 區塊鏈項目的安全專家 David Huseby 如是說。

正如中國一句古話：“細節決定成敗”，Huseby 指出，為了確保區塊鏈的安全性，你必須警惕分片被接管的現象。根據康奈爾大學發表的研究論文，如果指定分片中的節點被攻擊將導致數據的相應部分永久丟失。

因此在以太坊網絡的模型中，節點會被隨機分配給分片，并在一段時間后重新分配給另一個隨機選擇的分片。

“這里的想法是讓攻擊者很難預測或操縱他們（惡意）節點被分配到哪個分片中，因此即使攻擊者接管任意一個分片，想要達成共識也并非易事，” Huseby 說。

Huseby 解釋說，Hyperledger 區塊鏈是否啟用分片技術還未成定局。

“我們（ Hyperledger ）的區塊鏈通常不像加密貨幣那樣對“地址”進行操作，Hyperledger 區塊鏈專注于維護一個全局狀態（可以聯想一下數據庫），共識機制調節對該狀態的更新，同時區塊鏈安全地存儲狀態更新。” Huseby 說。

Hyperledger 區塊鏈網絡可以像以太坊一樣垂直分區（通過對表的垂直劃分來減少目標表的寬度，使某些特定的列被劃分到特定的分區，每個分區都包含了其中的列所對應的行），但由于Hyperledger 并沒有分割地址空間，因此可以自由嘗試不同的分片技術。

“如果不得不對 Hyperledger 區塊鏈網絡進行分區，那么我首先會利用Hyperledger交易驗證獨立于區塊生成的優勢，” Huseby 說，“交易驗證要比區塊生成慢得多，所以我采取的第一步行動將是大幅度增加交易驗證節點的數量。”

一個次要的挑戰來自“瘦”客戶端，也稱為 SPV （簡化支付驗證）錢包，我們需要確保在區塊鏈狀態已被劃分給不同分片后這些瘦客戶端還能訪問整個區塊鏈的狀態。為了解決與分片相關的可見性問題，瘦客戶端通過單獨的網絡進行通信，并維護所有分片上的本地狀態副本。

最后，由于每個分片都是一個獨立的區塊鏈網絡，跨分片的通信也帶來了很多挑戰。

解決分片通信問題

本月早些時候，初創公司 Devvio 宣布他們已經創建了一個基于分片技術，第2層協議和高效共識機制的高效去中心化賬本協議，可以解決區塊鏈網絡面臨的所有核心問題。 Devvio 表示，其協議每秒可以處理多達 800 萬筆交易，從而可以適用于全球金融業務場景。

[[256927]]

Devvio 聲稱：他們使用基于分片技術的獨立區塊鏈來實現可擴展性的大幅度提升。如果隨著時間的推移需要額外的吞吐量，可以再添加數千個分片，從而最終在全球性的公鏈上實現每秒數千萬筆鏈上交易的吞吐量。

根據 Devvio 首席執行官 Tom Anderson 的說法， Devvio 公司的 “ Devv ” 協議中，每一個分片就是一個獨立的區塊鏈賬本，該公司聲稱隨著時間的推移，可以將數千個分片添加到全球性的公鏈中，最終實現每秒處理數千萬筆交易。就比如說，每一個分片都是 Devv 去中心化賬本上的一個獨立區塊鏈節點，它可以處理多達 3000 筆交易，如果新添加一個節點就會使處理的交易數量翻倍。

每個分片（也被稱為加密錢包）作為一個較大網絡上的輸入，Devvio 將這個網絡稱為 T1 網絡，各個分片可以通過一個名為 T2 的獨立交易網絡互相通信。

獨立技術和市場調研公司 Forrester Research 的首席分析師 Martha Bennett 指出，從原理上來說，幾乎所有區塊鏈框架當前使用的或即將使用的分片技術都是完全不同的。

PolyShard 是一種使用了編碼理論思想，同時實現安全性保證、存儲高效性、計算高效性最優化的分片技術解決方案。其基本的設計理念是節點不應該復制存儲數據，而應該存儲經編碼和線性組合處理后的數據。

例如，由一家名為去中心化技術研究基金會（ DTR ）的瑞士非營利組織贊助的七所大學（麻省理工學院、斯坦福大學、卡內基梅隆大學、加州大學伯克利分校、南加利福尼亞大學、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校、華盛頓大學七所頂尖大學）最近宣布他們正在開發一種加密貨幣網絡 Unit-e ，旨在通過分片技術解決區塊鏈的可擴展性和性能問題。

“缺乏可擴展性嚴重阻礙了加密貨幣的大規模采用，我們開創性的研究可以解決這個問題，” 去中心化技術研究基金會理事會成員 Joey Krug 說， “ Unit-e 的開發人員正在將這項研究轉化為區塊鏈真正的可擴展性實現，大量去中心化金融應用都將從中獲益。”

Unit-e 使用被稱為“ PolyShard ”的一種全新分片方式：在不犧牲安全性的前提下，為更多用戶提高效率的一種存儲和計算解決方案。PolyShard 技術的核心類似于服務器和存儲系統上使用的虛擬化技術， PolyShard 協議混合了不同用戶和不同交易的數據，而這些混合后的數據仍可以精確恢復出原始數據。

然而到目前為止，各種分片機制都仍處于開發和測試階段，從某種意義上來說都還是紙上談兵，還只是理論，需要創建能夠同時解決可拓展性和安全性問題的標準化方法。只有解決了這一挑戰，分片技術才真正可以稱得上是一種“解決方案”。

“對于區塊鏈可擴展性問題而言，分片技術并不是一種成熟的解決方案，” Husebuy 說，“分片技術中有許多細節需要推敲，我們需要進行一些實驗來驗證理論的正確性，只有完成了這些我們才能說分片技術是安全的。而且分片技術在落地時必須謹慎考慮區塊鏈中的各種假設，不能給攻擊者留下任何可以繞過安全機制和共識機制的漏洞。”