大白技术论 | Sharding --- 给拥堵的以太坊做个 “切片手术”

Posted 2021-05-01 白话区块链

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从入门到精通，看我就够了！

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你是否在看区块链项目的白皮书时，常常跳过占比部分最多的技术部分？
你是否在参与项目讨论时，常常因为似曾相识却不明所以的术语，而难以加入?

相信你也明白，或许这些看不懂又超高频出现的技术、架构，正是区块链项目中最有价值的一部分，如何理解这些技术内容也是迟早要做的功课。

为此，白话区块链上线了 “大白技术论” 栏目，将这些最为常见的区块链技术，尽可能深入浅出地解释给大家，帮助大家去明白是哪些底层的技术，在帮助建设和完善着区块链的世界。

友情提醒：在技术解说中，大白会尽可能地追求通俗易懂，但对于一些重要概念，如果过分追求口语化，反而会失去对它的真正理解。所以在文章中仍然会保留一些对技术的阐述。

如果阅读时，在理解上存在困难，欢迎在文章下方留言，当然也可以加入白话区块链的知识星球（链接见文末），连接更多和你一样的小伙伴们，共同成长。

区块链圈的小伙伴应该都体验过以太坊的“拥堵”了，之前风靡全球的“电子猫”Cryptokitties，直接让以太坊网络瘫痪了。比特币也是一样，转账速度非常慢，没办法达到商业使用的要求。所以比特币社区迎来了“隔离见证”，给比特币来了次“分叉”手术，从而得到了BCH(比特现金)。但是以太坊社区尝试着使用各种扩容的方法来解决这次问题，比如雷电网络（侧链），Plasma，当然还有咱们今天要聊的“分片技术“（Sharding）。

小伙伴们是不是有点懵圈啦，“分片”听起来有点像把以太坊给切片了，有点奇怪呀。少安毋躁，在聊“分片”（sharding）之前，先得给大家普及一些知识点。

首先，大家要明白什么是“节点”？

其实很简单，想象下有个盒子，你放进“输入数据”，通过这个盒子内部进行一系列的操作，得到“输出数据”。那么这个神奇的“盒子”，就是我们常说的“节点”。网络就是由无数个这样的节点，互相连接到一起。其中确定节点连接的规则，就被称为“参数”。

设想现在你的电视机和服务器连接，但是同时你也想玩PS4和XBOX，所以一台电视就和三个设备连接。所以这时候，服务器，PS4和XBOX就是三个节点，它们和电视组合在一起成为网络。

图1：电视机节点图

但是聪明的小伙伴有没有发现一个问题呢？这种网络下，你是没办法同时看电视，又去玩PS4或者XBOX的。所以这时候，就需要添加一个切换频道的“参数“，例如你按“0”，电视就会和服务器连接，按“1”，电视就会和PS4连接，如果你按下“2”，电视就和XBOX连接。添加相应的“参数”，就会让你的节点连接变得不同。

进一步延伸到我们现在所用的中心化P2P网络，其中包含中心化的服务器。想获得信息的个人会通过设备向中心化服务器发送需求，从而得到答案，例如我们在百度搜索一样。

图2：中心化网络

但是这种中心化的网络中，有个最大的问题就是任何信息都依赖于中心化的服务器，也就是说无时无刻，服务器都得需要处于工作状态。并且，由于整个网络是中心化的，安全也是非常重要的问题。服务器中存储着很多非常敏感和重要的用户信息，一旦被黑客入侵，将造成不可预计的后果。

为了解决这些问题，一种不同的网络架构出现了，这就是我们链圈一直在谈的去中心化P2P网络。

图3：去中心化P2P网络

再进一步说，去中心化P2P网络和支付的结合，造就了我们的数字货币世界。当然，以太坊也是其中一员。但是在没有中心化系统的情况下，大家怎么才能知道某个转账发生了呢？假设小明给小红转3以太，距离小明最近的节点会知道这个事情，然后再通知距离他们最近的节点，之后不断地传递出去，直到每个节点都知道这个事情。

在以太坊中，每个节点就可以被认为是一台电脑，我们常说的“挖矿”其实就是进行验证的节点。并且，每个节点都会进行各自的计算，当这些节点达成共识的时候，转账完成。按照这个想法，整个以太坊网络应该会运行地很完美。但是问题来了，由于以太坊太火爆了，使用的人也越来越多，网络中的转账也逐渐增长。

图4：以太坊转账图表

当然，这对于以太坊社区来说，是件好事，毕竟越来越火了嘛。但是，达成共识所需要的计算量却指数般增长。并且由于众筹的火爆，以太坊网络的节点数也在疯狂增加，也许小伙伴会认为，节点增加了，转账速度不就应该加快了嘛！那就too young too simple啦，以太坊网络中的共识是通过线性的方式发生的。

换句话说，前一个节点完成了计算和验证，后一个节点才能接着做，如果多出了新的节点，共识系统中就需要花更多的时间来进行计算和验证。所以，随着以太坊变得更加火，转账时间就会变得更加地慢。而且，以太坊每秒20笔的转账速度和Paypal每秒193笔，Visa每秒1667笔的转账速度比起来，被秒的连渣都不剩了。

以太坊的实用性都是个大问题，更别提它的梦想是想做一个可以承载去中心化应用的平台了。所以，以太坊扩容迫不及待。分片技术“Sharding”就是其中非常重要的一种方法，那么到底这是怎么回事呢？

假设现在有三个节点A,B,C，并且他们需要验证数据T。在传统的以太坊网络模式中，每个节点都需要分别去计算和验证整个数据T，在分片技术下，整个数据被分成3个片区：T1,T2和T3。这样地化，节点A,B,C就可以只需要并行验证数据T1,T2和T3。是不是就节省了大量的时间呢？

如果我们把这个例子放到整体的数据库中，其实就是把数据库中的1，2子列和3，4子列分开放到两个数据库中。

图5：数据库分片

应用到区块链中，根据我们之前所说，以太坊网络中所有的节点对每个转账都需要进行计算和验证，这也是导致整个过程很慢和拥堵的原因。如果引入分片技术，我们可以将以太坊网络的状态根部（Global Root），分成很多的“分区”（Shard）状态根部，同时每个“分片”(Shard) 都会有自己的状态。

图5：以太坊分片

每个账号都在一个分片中，并且只有在相同分片中的账号才能互相交易。试想下，以太坊就好象被分割成了几千个小岛，每个岛都可以做自己的事情，岛上的居民可以互相交流并且转账。但是如果他们想和其他岛的人联系，就需要使用某种协议。

正常情况下，整个区块链网络只有一个交互层，但是以太坊想改变这个想法，使用两层交互。第一层，或者称为底层，每个“分片”（shard）都有他们自己特定的转账信息。

图6：分片（shard）底层

在第一层中，每个转账都会有自身独特的身份信息(ID)，并且会显示属于这个分片ID的转账群（transaction group）。那么在第一层之上的第二层，又会是怎么样的结构呢？

图7：分片（shard）上层

在上层中，包含着两个基本信息，一个是状态根部信息（state root），还有一个就是转账群体的根部信息（txgroup root）。状态根部信息代表整个区块链状态，根据之前所说，这个状态被分成了很多的分片状态（shard state）。转账群的根部信息包含了在这个区块中所有的转账群体。

综上所述，分片（shard）技术就是为了要很多比计算同步进行，提高整体的性能。所以如果以太坊网络允许各种随意的跨片沟通，那么对于分片来说，就意义不大了。

还记得我们之前所说的“孤岛”理论吗？以太坊不同分片之间想要互相交流，需要通过某种协议，这就是“收据”协议。

图8：分片技术转账收据

每个分片中，都会有它自己独特的转账收据。而这些收据都会存储在分布式的分片记忆储存中，这些收据可以被其他分片看到，但是却不能更改。

图9：分片技术跨片区转账

例如片区M将收据证明发到片区N作为转账证明，在N收到这个转账之后，就会发送回复证明到分片M作为转账记录，并且明确这笔转账的收据，为以后有别的操作做好准备。

如此看来，分片技术（shard）真的是以太坊扩容的救星了，那么是不是我们就高枕无忧了呢？其实不完全是，在分片技术（shard）的实施过程中，我们还有很多的问题。

比如我们需要建立某种机制，要能明确地知道哪个节点在运行哪个片区，而且这个机制还需要非常有效地保证同步和安全性。在运行分片之前，PoS（权益证明）共识算法还需要先进行实施，但是现在以太坊还处在PoW（计算量证明）的过程中。不同片区的节点，也需要有适合的共识机制。

不管怎么说，以太坊社区已经逐渐明白，要想有更好地发展，扩容是刻不容缓。然而分片技术（shard）对以太坊的扩容作用是举足轻重的。当然，很开心地看到最近知名的项目Zilliqa，已经很好地应用了分片技术，大幅地提高了以太坊网络的速度。非常期待更多的优质项目，可以通过分片技术来为以太坊做出贡献。

——End——

『声明：本文是作者Allen之独立观点，不代表白话区块链立场，亦不构成任何投资意见或建议。』

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