区块链公链分片技术方案（配思维导图）

以太坊分片思路

其基本思想是，将网络中的节点分成不同的碎片，各分片可以并行处理不同交易，这样可以并行处理相互之间未建立连接的交易，以提高网络并发量。分片方案的特点是，随着节点数目的增加，网络吞吐量也随之增加。

Vitalik Buterin在最新的推文中表示以太坊分片技术最重要的原则是“最大限度地接近与单一区块链相同的性质”

二次方分片的目的，就是通过一种双层的设计来增加交易容量。第一层不需要硬分叉，主链就保持原样。不过，一个叫做 校验器管理合约 （validator manager contract，VMC）的合约需要被发布到主链上，它用来维持分片系统。这个合约中会存在 O(c) 个 分片 （目前为 100），每个分片都像是个独立的“银河”：它具有自己的账户空间，交易需要指定它们自己应该被发布到哪个分片中，并且分片间的通信是受限的。

分片系统中的大多数用户都会运行两部分程序。(i) 一个在主链上的全节点（需要 O(c) 资源）或轻量节点（需要 O(log(c)) 资源）。 (ii) 一个通过 RPC 与主链交互的“分片客户端”

子链、侧链、状态通道

它们都属于链下扩容。

链下交易，对应比特币的闪电网络（Lightning Network）和以太坊的雷电网络(Raiden Network)。
提前支付一些以太坊或比特币作为押金，之后你可以在链下通过一些手段，来跟其他人进行交易。交易结束后把这个结算放在区块链上面。需要主流交易所、钱包这种大节点参与才比较有效。

核心思路是每个链可以独立自主地处理交易或者事物，相互之间不需要交流，最终把结算信息放在主链上。

跟分片最本质的区别是，分片是链上扩容，是对整个区块链网络的一个重构，节点也是相互关联的。

代理人共识协议

典型代表EOS，TRX。如何选出这些代理人，可以用权益证明，也可以通过一些官方的验证。

不管是7个代理人还是21个代理人，甚至可能是几十个代理人，大家会形成一个小团体。这个机制的好处是可以保证在一个很小的团体内部，很快就达成共识。

zilliqa分片

开源地址：https://github.com/Zilliqa/Zilliqa

C++实现的

在亚马逊的EC2上面测试得到用3600节点实现了每秒2488笔交易

特点：分片技术、PoW+PBFT混合共识机制

测试网络：https://explorer.zilliqa.com

Zilliqa的设计构思 第1部分：网络分片
https://my.oschina.net/zilliqa/blog/2962501

Zilliqa 的设计构思 第2部分：共识协议
https://my.oschina.net/zilliqa/blog/2962504

Zilliqa 的设计构思 第3部分：使共识更有效
https://my.oschina.net/zilliqa/blog/2962511

Zilliqa官方挖矿指南中文版
https://www.huoxing24.com/newsdetail/20181206173835283794.html

网络分片

假设我们有一个包含1000个节点的网络，将自动地把该网络分成10个、每个包含100个节点的分片，且所有分片可并行地处理交易。

由于分片架构能平行地处理交易，因此吞吐量可随着网络规模增加而线性增长。

每个分片现在都能独立处理交易并因此产生高吞吐量。

需要解决的关键问题

• 对女巫攻击的防御（Sybil Resistance）

• 创建分片、给分片分配节点和任务

• 分片大小

• 跨片交易

zilliqa解决方法

1. 防控女巫节点

使用PoW。每个希望加入Zilliqa网络的新节点都必须先执行PoW，网络中的现有节点验证新节点的PoW并授权其加入网络。

POW工作量证明部分跟以太坊基本上是一样的，这要求你将上一个区块的哈希值、节点的IP地址和你的公钥一起进行哈希计算。

对应的难度是相匹配的，例如哈希值的前100位都是0，如果你算出来的哈希值满足这个条件，就说明你完成了工作量证明。

根据工作量证明节点ID的最后几位，来决定分到哪一个分片上。对于一个新的节点来说，是无法通过自己的意志去加入某一个分片的，只能通过工作量证明，而工作量证明难度较高，因此可以避免出现新节点自己选择分片的情况。因此工作量证明的最后几位，就可以从数学上保证你的随机性是足够的。可以保证一些恶意节点不能直接加入到某一个分片。

2. 自动创建分片

有一个单独的分片即DS委员会去整合每个分片的结果，收集不同分片里面交易哈希，进行一个共识协议，形成哈希的哈希，然后广播，其他节点验证签名。

在每个DS Epoch开始时，所有候选人都将运行工作证明（Ethash算法）过程300秒窗口，以便竞争加入Zilliqa网络。

每个DS Epoch（约1.5小时）内总共有100个TX时期（每个~1分钟）。第100个TX时期被称为Vacuous时期。空白时期会处理coinbase交易（奖励机制）、升级机制（因为pBFT中没有分支）和持久状态存储（写入节点的DB而不是仅存储在内存中）。在这个时期，网络不会处理任何常规交易。

基于POW选举出DS委员会，使用先进先出策略定期移出一名DS委员会老成员、增加一名新成员，新进入委员会的节点是最快解决PoW的节点，任何时候DS委员会的大小都是固定的。DS委员会一旦当选，便启动分片程序，网络中的所有其他节点立即执行另一个PoW，其PoW由DS委员会验证，每个节点根据提交情况和随机性，被分配到特定的分片。PoW提交的最后几位二进制数字决定了节点将被分配到哪个分片。

3. 选择合适的尺寸

选择合适的分片大小对系统的安全至关重要。使用PoW创建分片相当于随机无差别地抽样一个节点集。

从600个节点开始，其包含三分之一的恶意节点的概率降至百万分之一。出于这个原因，Zilliqa认为最小分片大小为600。

4. 避免跨片交易

• 因为跨片交易需要锁协议，因此其开销成本很高，在分片设计之初就尽量避免跨片交易的产生

• 原子提交协议技术方案

5. 交易分片

每当交易到达网络时，它就被分配到一个特定的分片上。分配是由交易发送地址的前几位二进制数字决定的，这就叫做交易分片。

交易首先由分片打包，生成微块，然后上传给DS委员会，如果幸运，能被DS节点确认并签名，生成最终块。

每一个节点都可以收到最终的区块，这个区块的内容是很小的。同时，不同区块之间也会进行交换数据，从而分享最终区块内的这些交易。

整个系统有三层结构：第一层，是哈希的哈希；第二层，交易的哈希；第三层，真正的交易内容。通过这种三层结构来保证整个系统在每一步进行广播的时候，内容量都是相对比较小的。因此过了一段时间之后，你的不同分片里面，大家都可以获得这一段时间以来交易处理之后的一个共同状态。

交易分片按照交易发送者的账号地址来划分，来自同一发送者的所有交易都将在同一个分片中处理，允许每个分片成员检测其是否双花。通过每个交易中存在的随机数nonce，可以轻松检测双重花费（或重放攻击）。

6. 计算分片

分片还使计算执行和智能合约运行十分高效。例如，一部分分片可以充当映射器（mapper），其他部分分片可以充当归约器（reducer），并非常有效地执行映射-归约任务（map-reduce task），这也被称为计算分片。

共识协议

计算密集型的PoW需要大量的时间进行计算并且可能减慢共识协议，且它与网络中的节点数量无关，而是取决于网络的集体计算能力。不能很好地利用分片小的优势。

实用拜占庭容错协议（Practical Byzantine Fault Tolerance, 简称为PBFT）

Zilliqa采用PBFT在每个分片中达成共识。该协议是由卡斯特罗和利斯科夫（Castro and Liskov）在1999年提出的。它是在这样的假设下运行的：在执行协议之前，假设每个分片中最多有1/3的节点是恶意的。

在PBFT中，一个共识组中（即一个分片中）的所有节点按顺序排列，它有一个主节点（领导者），其他节点被称为备份节点。每轮PBFT都有三个阶段：预备、准备、提交。

PBFT与Nakamoto共识协议相比其他优点

1. 交易最终性

一旦交易被提交到区块链，那么它就是最终的了且不会有临时分叉，因此不需要确认。

2. 低能耗

Zilliqa只使用PoW来防止女巫节点攻击、确认节点身份并进行分片，而不用于达成共识。现实中，每确认大约100个区块才需要做一次PoW。

3. 报酬差异小

Zilliqa中参与共识协议的每个矿工都可以获得对应的奖励

PBFT的挑战

一个主要缺点：只有当分片规模很小时（即小于50）才高效。但是，正如我们前面的文章中所讨论的，出于安全原因，Zilliqa的分片大小必须不少于600个节点。

PBFT对于大型网络而言效率低下的主要原因是它有一个潜在的通信成本，即 分片中的每个节点都必须与所有其他节点通信，这就是通信成本二次方的原因。

使用数字签名而不是MAC将发送消息的数量从二次方数量级减少到线性，当n很大时这种减少会产生重要影响。以600个节点为例，其中传播的消息数量可以从17.97万减少到599。

使用多重签名的方法来降低通信成本，减少每个消息的大小。

目前一种比较流行的多重签名方案是基于Schnorr数字签名技术。

Zilliqa使用了近期一些学术论文中的技术来提高经典pBFT协议的效率。

附：思维导图

来源：虫洞社区

作者：大自然

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