分片技術－區塊鏈底層 Layer 1 擴容方案，分片能夠為我們帶來什麼？

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分片是什麼？（Sharding）

分片技術並不是什麼創新的概念，早在區塊鏈技術出現之前，就已經在傳統數據庫中運作了，主要用於大型商業數據庫的優化。其概念就是將數據庫中的數據，切割成很多數據分片，再將這些分片分配到不同的伺服器中儲存，如此一來，就不會因為短時間內出現大量數據訪問請求，而出現單一伺服器壓力過大的問題。

在傳統的區塊鏈網路中，交易必須有網路中的每個節點進行確認，以保證交易的安全，然而這也是導致交易速度難以提升的主因之一。

而把分片技術運用到區塊鏈網路中的方式，是將區塊鏈網路劃分成若干個子網路 (或稱分片,shard)，每一個子網路都會包含一部分節點，網路中的資料儲存與交易，會被隨機分配到各個分片中做處理，如此一來，每個節點只需要處理一小部份的工作，且不同分片上的交易可以並行處理，網路的交易速度便能因此獲得提升。

另外，傳統的區塊鏈大部分都是單鏈結構，所有礦工都會相互競爭取下一個區塊的計帳權。且大部分區塊鏈產生區塊的平均時間是固定的，例如比特幣平均每 10 分鐘產生一個區塊，即便有越來越多的礦工加入挖礦行列，區塊鏈也會自動提升挖礦難度，以確保區塊產生速度固定在每 10 分鐘產生一個區塊。簡單來說，區塊鏈網路中算力的提升沒辦法增加交易速度，這也就是為什麼區塊鏈會是不可擴展。

如果要用簡單一點的例子來形容的話，就好比你把汽車改車 V8 大馬力引擎，但汽車電腦卻設置了速度限制，不能開超過 60。

延伸閱讀：比特幣挖礦與礦工：加密貨幣產出的獎勵機制，比特幣挖礦到底是什麼？

在分片技術中，區塊鏈算力的提升，意味著分片數量的提升。也就是說網路中所投入的算力越多，能夠同時並行處理的交易也會越多，整個網絡的交易速度也會線性提升。

運用在區塊鏈上的分片技術，又能夠分為三種 : 網路分片（network sharding）、交易分片（transaction sharding）、狀態分片（state sharding）。

分片一：網路分片（network sharding）

由於區塊鏈的區塊與區塊之間具有強連結性，也就是說，每一次的區塊新增，都需要礦工互相通信確認新區塊的有效性，雖然這能確保鏈上交易紀錄的正確性，卻也導致區塊鏈結構上存在不可擴展性的缺點。因此，分片的第一步，需要先將區塊鏈網路分片，再盡量降低互相通信的前提下，由各個分片處理鏈上交易。說的簡單一點就是將礦工隨機分組，再將工作分配給各組礦工獨立驗證。

網路分片涉及到的問題是，分片後如何確保鏈上交易安全性能夠維持。

隨機分配

礦工分組之後，網路分片第一個會面臨到的問題是，攻擊者的攻擊成本會大幅降低。下方這張圖說明的是，本來假設有 100 個礦工, 要掌握 51 個才能癱瘓網路，自從有分片後, 假設是 100 個分片，礦工一人顧一個分片下，就變成我只要有全網 1% 的攻擊力，就有機會癱瘓某一個甚至兩個分片，而這 1% 在原本的 PoW 下，根本起不了作用。要防範攻擊者最好的做法，就是建立隨機性。

在區塊鏈領域建立隨機性的方式主要是利用可驗證隨機函數（VRF, Verifiable Random Function），利用此演算法，網路可以隨機抽取節點分組形成分片。這樣一種隨機抽樣的方式可以防止惡意節點控制單個分片。

分片的共識機制

解決了礦工分組的問題後，所要面臨的問題是分組後的礦工，驗證過程如何達成共識。達成共識的算法可以選擇我們熟知的 PoW、PoS、PBFT等共識機制。簡單來說，網路分片就是礦工的挖礦規則，為了在分片的同時不失去去中心化特性，開發者需要盡可能地在安全與效率取得良好的平衡。例如，網路中分片的數量與每個分片中節點的數量等問題，都需要謹慎考慮。

分片二：交易分片（transaction sharding）

網路分片針對的是礦工的遊戲規則，而交易分片所針對的是哪些交易要被分配到哪些分片，然而，區塊鏈的帳本模型的不同會對交易分片的開發造成影響。

UTXO 帳本模型

UTXO 的帳本系統，例如比特幣，交易紀錄是由多個 input 和多個 output 構成，沒有帳戶的概念，也不會有餘額的紀錄，我們沒有辦法按照地址進行交易分片來有效地避免雙花問題。

UTXO 較直觀的交易分片方式是按照交易 hash 值的最後幾位進行分片。例如，「如果哈希值的最後一個值是 0 的話，那麼交易將被分配給分片1，否則它被分配給分片 2 (假設只有兩個分片)。」

然而，我們說過，UTXO 的交易是由 input 和 output 構成，假設 A 發起了一筆交易，該交易的哈希值的最後一個值是 0，被分配到第一個分片驗證，此時，A 又發起一筆 input 相同但output 不同 (發給不同人) 的交易，該筆交易被分配到第二個分片，如果不採取任何措施，這兩筆交易將因為同時在兩個分片當中進行處理和驗證，而導致雙花攻擊。

在 UTXO 帳本系統的交易分片中，解決雙花攻擊的辦法是分片1和分片2相互通信，以確保同一筆錢沒有被重複花費。但是在實際過程中，分片數量眾多且交易的 hash 值是隨機的，交易會被隨機分配到各個分片，這就表示每個分片之間都必須相互溝通。很明顯，這方法行不通，因為如果這麼做，就代表分片無法獨立驗證，分片就沒有意義了，因此 UTXO 先天上就較難以實現分片。

Account 帳本模型

由於 UTXO 帳本模型較難實現交易分片，因此，大多數採用分片技術的區塊鏈，都是像以太坊一樣的 Account 帳戶帳本系統。有了帳戶，每一筆交易將會包含發送者的地址與餘額，因此我們只需要將交易按照發送者的地址進行分片，即可保證同一個帳戶發出的多筆交易將被在同一個分片當中被處理，這樣該分片即可有效的檢測雙花交易。不過一但涉及到跨分片交易，例如：分片1的帳戶要與分片10的帳戶進行交易，勢必需要跨分片的溝通來驗證交易的有效性，但與 UTXO 相比，至少不需要跟所有的分片溝通，只需要分片1與分片10溝通即可。

分片三：狀態分片（state sharding）

狀態分片可以簡單理解為，在區塊鏈資料分配在在不同分片中儲存。其所涉及的是鏈上資料的分片，也就是鏈上資料與交易紀錄分片儲存，藉此減少節點的存儲負擔。與其他兩個分片機制相比，狀態分片是最棘手的難題。目前的狀態分片有以下三個問題需要解決。

跨分片交易通訊的效益平衡

過去區塊鏈的狀態，例如帳戶餘額狀態儲存在全網中，由全網節點共同更新維護。但是在分片機制下，交易會根據地址分配在不同的分片處理，也就是說，狀態只會儲存在其地址所在的分片中，此時要面臨的一個問題是，交易不會只在一個分片中進行，時常會涉及到跨分片交易，因此若交易雙方帳戶被分配在不同分片，分片與分片之間勢必要進行溝通才能夠確保交易的有效性，頻繁的跨分片互動，很容易導致整體網路效率下降。

例如 :

A 的地址分配在分片1，交易的紀錄也會儲存在分片1。
B 的地址分配在分片2，交易的紀錄就會儲存在分片2。

一但 A 要打幣給 B ，就會形成跨分片交易，分片2就會向分片1調用過去的交易紀錄，確認交易的有效性，A 頻繁的打幣給 B，分片2 就必須不斷跟分片1 互動，交易的處理效率便會因此降低。

分片動態刷新和節點狀態更新之間的平衡

區塊鏈的節點會隨著時間而增加，且節點若長時間未重新分配，會導致交易狀態過度集中化，降低遭受攻擊時的彈性。因此網路每隔一段時間需要重新調整網路節點，也就是所謂的動態分片，而新進節點也會藉此更新與同步其所在分片的狀態。然而每一次的節點調整，都必須在該分片完成網路同步後，才能開始處理交易，這會造成部分延遲問題，因此設計時必須掌握好節點調整的數量與時間，否則很可能會造成分片癱瘓。