币读说人话之科普系列一：到底什么是分片技术？

前段时间参与的区块链峰会，以太坊社区的爱好者给币读菌科普了什么是分片技术，听得币读菌是一愣一愣的，专业术语太多了，完全听不懂哇。

今日币读菌联系到一位技术大咖，给大家以最简单易懂的方式把分片技术介绍给大家。

由于分片技术涉及到大量的专业知识，本文打算抛弃这些概念，直接站在山顶的最高峰，俯瞰“庐山”真面目。

不过，首先还是让我讲讲分片的由来。分片技术的由来

分片又称Sharding，它首先出现在数据库领域。起初，所有的数据都放在一台服务器上，如下图所示：

虽然不同的用户访问的是不同的数据，但是只有一台服务器提供服务，随着用户访问的不断增加，即使这台服务器是超人，在客官的不断所求下，也会累趴下。

那么人们想到最容易的改进办法就是：将不同数据放在不同的服务器上，如下图所示：

此时，访问不同的数据就会由不同的服务器提供服务，从而突破单节点数据服务器I/O能力限制，系统处理能力得到线性增长。

以上就是分片，它就是这么简单！！！

只不过此时是对数据进行分类，将不同类的数据放在不同的服务器，提供并行处理能力，这类分片的学术名称叫做“垂直分片”。

既然有垂直，那可能也有“水平分片”。

可以进一步想象，随着访问同一类数据的请求越来越多，单台服务器依然会成为瓶颈，那么可以进一步将数据分为多个部分，分布到多台服务器，这就是水平分片。

简而言之，分而治之就是分片的核心思想

例如1只大蚂蚁想要搬送一块大蛋糕可能一辈子都无法完成，但是如果有一百万只小蚂蚁并行工作，那在很短时间之后，就可以躺在蚁窝，吃着美味。

区块链扩展性问题

以上我们了解了分片技术在数据库领域的用法。我们不要忘了主题，我们是要讲区块链！！！那么分片和区块链有什么关系呢？

那不得不来唠唠现在区块链的处理能力（在这里主要指公有链），一句话，那就是比牛还慢！！！我们熟悉的比特币、以太坊每秒只能处理小于10笔交易。

这又有什么问题呢？

最近火热的以太坊虚拟猫游戏CryptoKitties以及6月中旬的Status的爱西欧，短时间内产生大量的交易，使以太网络极度拥塞，造成普通用户无法正常使用。

这就是说，现在区块链的吞吐能力还不能满足应用的需求。相比之下，像Paypal、VISA、MasterCard等这样的工业界产品的支付能力在1200-50000 Tx/s之间，这之间的巨大鸿沟不是简简单单靠调整参数就能解决（很多altCoin就是这么干的）。

区块链最核心的内容就是分布式共识算法。

那么什么是共识？

一句话讲，就是你干你的，我干我的，我们怎样才能保证我俩干的结果是一样的。接下来我们来讲讲专业知识。

目前在分布式领域主要存在两类共识，以比特币为代表的中本聪共识和经典拜占庭共识（BFT）算法。

如下图所示，中本聪共识虽然能够扩展到成千上万节点，但是其吞吐还不如一台笔记本电脑；

拜占庭共识每秒能够处理上万笔交易，但是其性能随着节点的增加呈指数降低。

而我们想要的共识算法，是随着节点的增加，其处理能力也相应增加，就如数据库领域，当我们增加服务器后，就能响应更多的请求。

那这样一种理想的共识算法是否存在？答案是让人失望的，到目前为止，还没有任何一种成熟的共识算法能够实现上述需求。

但是，从历史经验出发，将分片技术用于区块链，也许会将这个伟大的梦想变为现实。

分片技术如何带来质的提升

目前的公有链大部分都是单链结构，所有矿工都在相互竞争去延伸下一个区块，如下图所示：

由于产生区块的平均时间是固定的，例如比特币平均每10分钟产生一个区块，随着越来越多的矿工加入挖矿行列，挖抗难度得到提升，以保证每10分钟产生一个区块。

这就造成，即使投入更多的计算机，整个系统的处理能力并没有得到提升。

将分片技术引入区块链，此时，系统处理如下图所示：

首先，将所有矿工节点进行随机分配，形成多个分片，并挑选一个Boss分片。各个分片可以并行处理不相关的交易，并产生子区块，然后将子区块发往Boss分片。

Boss分片负责处理子区块，检查是否有效，最终产生区块n+1。从而，随着投入节点的增加，可以划分出更多的分片，也就能处理更多的交易。

以上介绍的就是采用分片技术的ZILLQA项目的核心思想

此外，在以太坊发展规划中，将在2020年前开发以太坊2.0，其中将采用分片技术提升区块链的处理能力，但与ZILLQA项目有本质区别。

V神介绍到“笼统简单地来说，你可以把分片看成是，设置一个区块链，在其中有一百个各自不同的宇宙，每一个宇宙都是一个独立的账户空间。

所以你可以在某个宇宙中拥有一个账户，也可以在数个宇宙中持有一个合约，当然，你还可以在数个宇宙间发起一笔交易，而这笔交易仅仅会对涉及到的这几个宇宙产生影响。

但是，这一百个宇宙不仅仅是割裂分散的区块链，它们在内部相互联系并组成系统。特别值得注意的是，它们彼此间形成共识。

所以如果要打破其中一个宇宙，你就必须打破这一个整体”。

预知以太坊2.0与ZILLQA的区别，下次分享

已下是研究分片的主要学术文章，欢迎有兴趣的读者讨论。

参考文献：

以太坊：https://github.com/ethereum/sharding

ZILLQA：https://www.zilliqa.com/

Elastico： Luu L, Narayanan V, Zheng C, et al. A secure sharding protocol for open blockchains[C]//Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security. ACM, 2016: 17-30.

Kokoris-Kogias E, Jovanovic P, Gasser L, et al. OmniLedger: A Secure, Scale-Out, Decentralized Ledger[J]. IACR Cryptology ePrint Archive, 2017, 2017: 406.