TPS之巅 之分片技术篇

区块资本论

不一样的区块链解读

不一样的故事

如果说Bitcoin网络是一条羊肠小道，那么Ethereum则是经常塞车的柏油马路。自Cryptokitties之后，对于基于Ethereum开发的项目来说，日常堵一堵Ethereum网络也成为了行之有效的项目宣传方式。

源数据：etherscan.io

Cryptokitties对Ethereum网络的影响：gas price从平均20GWei迅速上升到60GWei

2018年7月同样是网络堵塞的高峰期，和最新的交易挖矿类交易所的涌现有很大关系。Bitcoin和Ethereum的性能已经远远不能满足现有交易的需求，为此必须要提升可扩展性。

区块链可扩展性的方案有很多，不过目前较为普遍的是侧链、分片和DAG这3类方案。侧链与分片均属于横向扩展，DAG则是则是将链状的区块结构扩充成图状结构，直接将交易写入图中。

（一）

侧 链

侧链是在主链和应用之间构建匝道，起到连接与验证的作用。侧链通过双向挂钩的策略，允许交易线下结算，通过SPV证明已支付，等待后续验证。在BTC上，验证一个交易平均要1小时，但侧链可以在数分钟内先确认交易，交易完成之后1-2天完成最后的验证。因为验证过程拉长，对于交易作恶的惩罚有可能不及时。与此同时由于侧链算力较主链小，容易被算力攻击导致主链损失。同时侧链需要对原主链进行大量软分叉。

（二）

DAG

DAG全称为有向无环图，允许区块链如图状延伸，组成拓扑结构。DAG上不再进行区块挖矿，而直接确认单笔交易，自然配合UTXO。一个交易之后可以延伸出两个交易，也可以两个交易共同有一个交易作为后继，但必须是从前向后延长而不能相反。当一个交易被确认之后，需要连向之前最近确认的交易。其结构构建较为复杂，带来的是交易确定性上升。

在通常区块链体系中，由于区块可能会受到最长链/最重链原则地影响，有时区块内交易会被逆转。在DAG中，只要能找到两个最接近的父交易并成功验证，这个交易就能被永久确认而不存在轻易逆转的可能。

（三）

分 片

分片是从内部划分，每个分片链的算力和原主链相当，故分成N片后总体TPS理论上增长到N倍。分片链的结构相同，互不干扰，共享一条主链。分片与侧链都是横向扩展，但省去了软分叉而代之以内部的复杂化，难度介于侧链与DAG之间。

更重要的一点，如果未来TPS能够达到10000以上，假设每个交易的内容为1KB，每秒网络流量就需要10M/s，每天产生的存储数据则是824G。即使用户选择轻节点以规避巨大的网络带宽和存储要求，所有的完全节点都必须一字不差地接受数据流。唯有分片可以通过数据分割以降低要求。

如果要对侧链、DAG和分片进行形象化描述的话，可以这样举例：小车在集装箱中被大车拉着跑，交易是小车，区块是集装箱，区块头及merkle tree等则是大车，验证及公开过程简化成收费站。公路上收费站就一个关口，通过大车的速度自然不快。侧链相当于匝道，允许大车走旁道先通过，下一个收费站再检查。分片则是增加收费关口数，允许更多的大车通过。DAG放弃了大车和集装箱，直接让小车通过。小车比较灵活，可以走超车道等方式更方便通过收费站，但这么多小车的道路交通就更加复杂，铺路较难。

目前DREP决定采用分片提高TPS，也对DAG等方法有所研究与预备，为之后系统升级预留空间。

1. 分片的特性

分片实质上是分而治之，每个子系统都有自己的完整结构，能够一定程度上独立处理请求。而在数据库领域这个划分称为横向扩容。

从上述例子可得知，区块链分片之下完全公证不再可能也不再必要，除了必须在主链上处理或跨片的请求之外，交易只会在分片内得到公证，这正是分片效率提升N倍的原因所在。

在中心化数据库中，分片往往会根据信息的特征构造分片键或索引表以加速查询速度，而在去中心化机制中，虽然必须使用Hash分片以保证安全性与分片均衡性，不过合理使用特征对系统运行同样有很大帮助。这就如同一个矩阵，矩阵的非零元素如果随机分布，那么将其作为为分块矩阵处理的意义就很小。反之，非零元素在对角线附近分布，就容易拆分成若干个较小的分块矩阵，数据处理难度大大下降。

常见的分片方法有以下数种：

网络分片

源于互联网和局域网之间的层级关系，需要将网络分割成若干碎片网络，各个网络中自行建立共识，再汇总到主链上。在这种机制之下，如果发生串通作弊，去中心化程度大大下降的分片网络很难检测。所以网络分片只允许主链采用PoW这种统一性和可用性高而分片容忍度低的共识机制，以消耗算力与电力为代价让诚实碎片被选出。

除此之外，为了降低串通作弊的可能，必须要用足够安全的随机方法将各个节点随机分配，而为了保证随机性就必须牺牲片内交易的概率，这就大大降低了通过分片增加TPS的效率。

交易分片

这个方法出现得最早。在最早期，仅PoW层上直接分片一个PBFT层，将节点随机均匀分布在各个分片中。在交易时，对交易地址进行加盐Hash计算，根据同余分配到分片中，这种随机机制下安全性能够保证。

一般交易分片与UTXO联用。UTXO如同虚拟收银台，在BTC即得到应用，较为成熟。UTXO自身的问题在于对智能合约支持差，还要多出一个账户，非常不简洁。

为防止在不同分片中双花攻击，需要对不同分片的交易进行对比，防止出现一个节点发起相同的两笔交易，但接收者不同的情况。不过总体来说，对于交易分片的研究较为成熟，并且允许多种共识在其机制上运作，支持PoS+PBFT的组合策略。

状态分片

状态分片最直观，将各个账户划入分片，并在交易中记录账户状态改变。状态分片相比于前面两者，能够赋予节点更多的特征，存储更多数据，这给予需要构造更多特征的智能合约以方便，如DREP将要建立声誉-代币双重维度智能合约就必须选择账户模式。

另外还存在对账本状态进行分片，各个分片维护分账本状态的模式。这种模式更注重global state而不是各个节点。该方法很容易达到很高的TPS，不过对去中心化损失较大。

可以说，状态分片是最有潜力而最困难的分片方式，如果设计合理，则状态分片将拥有很大的市场应用空间，反之则将带来非常多的麻烦。

2.目前项目的现状

a.Zilliqa

Zilliqa团队于2017年7月组建，主要成员为新加坡国立大学的师生，Prateek Saxena在区块链方面研究深入，最早的区块链分片论文正是他与Loi Luu等人合作发表。其余人则在网络安全方面有研究。

这样一个团队，必然对于安全性非常看重。同时因为过程越复杂，被攻破的可能性越大的特点，他们的区块链项目注重简单有效，不采用过于复杂或未经代码验证的方法。

Zilliqa的网络分片采用以下方案：每一轮首先以PoW方式竞争DS委员会名额。当DS委员会名额确定，则进行PoW2竞争分片出块资格，之后根据PBFT进行共识出块。出块时当有相应header时，检查交易是否有效，检查正确无误则可以向主链提交有效状态，反之则不能提交，需要等待主链状态更新。

PoW的安全性自然较高，同时达成了随交易节点数增加TPS增加的效果。从市场反应来看，Zilliqa有干货已被公认，其价值得到相当程度的承认。

b.Emotiq

Emotiq是以Omniledger为基础的区块链分片项目，希望成为Omniledger在商业中的应用。Omniledger是一个经典的区块链分片设计，但本身没有项目。

Emotiq计划开发通用支付渠道（UPC）作为一个小额支付手段，来弥补区块链对快速小额支付范围的缺口。不仅如此，Emotiq还允许基于本体开发复合ERC20的代币子链。其智能合约采用自创Emotiq Ring语言。核心是Omniledger+PoS。

Omniledger的跨片交易采用Atomix：先发出请求，如果出现一个分片接到多个请求，则锁定分片，不进行交易，而进行允许交易证明，将未能通过的请求驳回。之后解锁进行交易。

交易则是UTXO，用DAG系统相互连接并保护交易安全。可以在需要高交易量时先信任再检查，如同侧链的处理方式来提高交易速度。使用时可以加入状态块（类似于确认节点）来确认状态正确与否。

总的来说，Omniledger的兼容性很好，在其上开发Emotiq有其合理性。

c.Quarkchain

Quarkchain是较新的一个项目，目前在其官网上可以看到测试网络TPS已经突破10000大关。

Quarkchain采用账本形式，账本记账并保持账本状态。记账权还是PoW。

其根链（主链）和分片链的节点互不干扰，通过通证经济手段自动调节两者数量比例。这样节点只需要做一件事情（主链/分片链）而使CPU效率达到最大。

为了提高效率与稳定性，Quarkchain允许多个节点组成一个超级节点来处理大量信息，每个节点与多个节点相互链接，可以拆分成若干个单图，单图可以处理分片数据，总体则可以表现出完全节点的特征。这可以说使DPoS+PoW的新组合。

在使用上，用户只需要一个账户，不需要考虑账户副本问题。

Quarkchain在PoW系统上成功达成高TPS，这是一种创新。

3.尚未解决的问题

虽然分片在许多项目中得到研究和应用，提出了多种分片处理方法，但很基础的两大问题尚未得到重视与解决。

（1）分片策略问题

分片看似简单，将相应的特征值（交易地址/发送者地址等）进行Hash再同余分配。但这其中隐藏了两个问题。

其一：若干个恶意节点可以通过反复加入-离开的操作，对主链造成压力。在这个反复过程中，如果多个恶意节点通过反复随机，分配到一个安全性较弱的分片，就有可能控制这个分片，进而造成单点崩溃。

其二：根据概率计算，跨片交易的概率随着分片数量增加而增加，也随着交易数量增加而增加。

根据Zilliqa白皮书提到的内容，以m为分片数，n为交易数，k为参与跨片交易的分片数，概率P则为：

计算可知，片内交易概率=（1/m）^n，P（4，1，4）=1.56%，大量的交易都是跨片交易，那么片内交易的优势荡然无存。

由于PBFT往往需要分片内人数

所以，分片策略需要：足够的随机性，对join-leave攻击的耐性，片内交易的较高比例。

（2）跨片交易问题

如果不做优化，跨片交易占据总交易的比例极大，使TPS的实际增长与理论严重不符；还存在跨片交易模型效率与安全性不足的问题。目前的主流方法有以下数种：

同步：指在进行跨链交易中将两个分片的状态进行同步，只有同步完成才能进行交易。代表为Atomix模型。这个方法是最安全的，但效率也最低下。如果100个分片一共有300个跨链交易，那么平均来说每个分片就要进行6次同步，这大大影响了真实效率。

交易拆分：指将交易拆分成两半——交易发起者付出代币与交易接收者收到代币两者。这就将300个两边交易变成600个单边交易，而单边交易不需要同步，交易效率很高，Ethereum的sharding采用的就是这个方法。可它的安全性最低，因为如果出现网络故障，易于发生交易只完成单侧，代币付出之后接收方没有获得代币。这个严重的问题大大制约了该方法的发展。

UTXO：UTXO方法有很多优点，但一个严重的问题就是UTXO与智能合约比较难以兼容。没有智能合约，区块链的应用面就会大幅缩水。同时，UTXO和需要承载更多信息的账户体现出一定的功能重复，存储效率不高——这在ETH上就有体现。

总的来说，跨片交易模型需要同时满足原子性、安全性、较高效率，与智能合约良好兼容等诸多要求。

（3）DREP如何改进

DREP正是认识到上述问题，于是在使用分片技术的同时作出了如下改进：

DREP链采用状态分片（state-sharding）底层网络，为声誉系统提供相应的空间。为提高性能，从分片策略就开始寻找从源头上使N倍TPS有意义的方法。DREP采用根据应用来特征化用户交易属性的策略，尽量使片内交易保持一定的比例。在AI和大数据支持下，这个策略是能够生效的。

但如果完全按照特征划分分片，那么会造成随机性和安全性的严重丧失，分配认识的节点次数过高，赋予作恶行为以土壤。同时，由于分片内节点随时间会自然互相认识，去中心化程度则不断下降。为此，DREP吸收中心化数据库中已被验证的一些成果，将特征分片的比例控制在不影响安全和去中心化的程度上，尽量保证较高的随机性，配合分片的随机重抽，在不可能三角中取得平衡点。

除此之外，考虑到黑客可以选择join-leave攻击，相应有抗攻击的数据库方法也将被引入。

共识机制方面，DREP链使用了PoS和基于声誉体系改进的PBFT的两种共识机制。主链使用PoS机制，降低用户准入门槛，提升网络的分布式程度。Shard内部每个DREP节点维护自己声誉值，通过基于声誉值的PBFT算法在保证安全的同时提高shard内部事务处理速度。除了在分片上的设计，声誉值会是激励节点保持诚实的另一大动力。黑名单在节点间的传播有时间差，但有了声誉值这个指标，作恶被发现则立即可得知，降低下次作恶成功的概率。

跨片交易方面，DREP链创新性的采用了基于PBFT共识和多重签名机制的四阶段握手协议（Four-phase commit protocol），通过对已被验证的传统互联网握手的去中心化，降低了跨片交易中实现共识机制的成本，并保障了交易的原子性和安全性。相比Atomix等方法，该方法在效率上更高。

4.结论与展望

分片是一个有希望发展为区块链3.0的重要技术领域，在这其中有许多问题尚待解决。DREP考虑到现实需求与现有技术，提出的分片方案能够很好地满足未来日益增加地DRApp需求，同时保证足够地安全性和去中心性。我们希望能够利用中心化数据库在分片上的积累，结合优秀的技术团队，将落地的重任在基础上打牢。