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区块链分片技术：以太坊的扩容之道
随着加密货币领域关于扩容的讨论持续升温，一些潜在的解决方案其实已经开发了相当长一段时间。特别是在以太坊这个案例中，由于过度强调去中心化和安全性而牺牲了可扩展性，将分片技术与权益证明（Proof of Stake）共识机制结合应用，被视为使网络达到实际应用水平同时保持其去中心化和安全性的必要机制。
分片技术与分布式计算背景
分片技术实际上比区块链技术出现得更早，已在各种系统中得到应用，从商业数据库优化到谷歌的全球Spanner数据库。本质上，分片是一种在数据库中进行水平分区数据的特殊方法。更一般地说，数据库被分解成称为"分片"的小片段，这些分片聚合在一起就形成了原始数据库。
在分布式区块链网络中，网络由一系列以点对点格式连接的节点组成，没有中央权威。就当前区块链系统而言，每个节点都存储网络的所有状态并处理所有交易。虽然这通过去中心化提供了高水平的安全性，特别是在比特币和以太坊等工作量证明（Proof of Work）系统中，但它也导致了合理的扩展问题。
以太坊分片技术
以以太坊为例，网络中的全节点存储着区块链的整个状态，包括账户余额、存储和合约代码。不幸的是，当网络以指数速度增长时，共识只能线性增长。这种限制是由于节点之间达成共识所需的通信造成的。
分片技术为缓解这些问题提供了一个有趣而复杂的解决方案。该概念涉及将节点子集分组到分片中，这些分片进而处理特定于该分片的交易。它允许系统并行处理许多交易，从而显著提高吞吐量。
分片在区块链中的工作原理
我们将继续使用以太坊作为示例，因为它是区块链领域最知名和最艰巨的分片尝试，以太坊开发人员正在实施所谓的"状态分片"。
以太坊将网络分解为特定的分片。每个分片被分配一个特定的交易组，该交易组通过将特定账户（包括智能合约）分组到一个分片中来确定。每个交易组都有一个由以下内容组成的头和主体。
头
- 交易组的分片ID
- 通过随机抽样分配的验证者（验证分片中的交易）
- 状态根（添加交易前后分片的默克尔根状态）
主体
- 属于特定分片交易组的所有交易
在分片中，共识是通过随机选择的节点的权益证明共识达成的，这些节点被应用于特定共识轮次的分片。这不仅提供了共识的最终性，这是分片内部所必需的，而且还提供了对工作量证明区块链在这种情况下容易受到攻击的特殊防御。
分片技术的未来
以太坊中的分片预计将在Casper PoS升级后实施。最近，关于以太坊2.0的一些发展涉及实施Casper和分片。分片技术也在一些其他平台上得到了实施，最值得注意的是Zilliqa。然而，Zilliqa目前没有实施状态分片，而是专注于通过利用交易和计算分片来提供高吞吐量区块链。
结论
分片技术为当前区块链平台的扩展问题提供了一些有前途的解决方案。虽然比特币的闪电网络正处于测试阶段，并且到目前为止已经显示出一些非常有希望的进展，但以太坊的解决方案带来了一些独特的挑战，因为它被定位为图灵完备的世界计算机。分片将仅在协议级别直接工作，因此对于最终用户或dapp开发人员来说，了解它可能不是必要的。无论如何，以太坊为庞大、去中心化的网络尝试状态分片是一项令人印象深刻的努力，如果成功实施，将是一项巨大的成就。
