區(qū)塊鏈技術(shù)徹底改變了企業(yè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和執(zhí)行分布式交易的方式。即使在公共網(wǎng)絡(luò)，區(qū)塊鏈也可以確保所有參與者都可訪問(wèn)安全、可靠和可驗(yàn)證的記錄。但區(qū)塊鏈面臨的重大限制是：可擴(kuò)展性。隨著交易數(shù)量的增加，系統(tǒng)會(huì)變得更慢更昂貴，并且從長(zhǎng)期來(lái)看，可持續(xù)發(fā)展性會(huì)降低。

對(duì)于可擴(kuò)展性問(wèn)題，解決方法之一是分片，在分片過(guò)程中，數(shù)據(jù)被分解為可管理塊，分布在不同節(jié)點(diǎn)上。目前區(qū)塊鏈分片已經(jīng)應(yīng)用于私有區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。而在公共網(wǎng)絡(luò)部署分片技術(shù)會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，因此，在公共系統(tǒng)可有效擴(kuò)展前我們必須解決這些挑戰(zhàn)。

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區(qū)塊鏈困境

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式分類帳技術(shù)，用于記錄一個(gè)或多個(gè)參與者之間的交易。在傳統(tǒng)配置中，分類帳分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保持完整的副本。區(qū)塊鏈按時(shí)間順序?qū)⒚總€(gè)交易記錄到分類帳中，然后同步和驗(yàn)證交易，這些交易在所有節(jié)點(diǎn)上都是透明且可驗(yàn)證的。

隨著交易數(shù)量的增加，分類帳的大小也會(huì)增加，從而導(dǎo)致在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上處理和存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)。然而，部署額外的節(jié)點(diǎn)會(huì)使問(wèn)題變得更糟，因?yàn)轵?yàn)證將需要更多時(shí)間。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須處理每個(gè)交易，因此，隨著延遲增加、吞吐量降低和存儲(chǔ)成本上升，用戶將不可避免地面臨性能和可靠性問(wèn)題。

顯然，這里需要更好的方法來(lái)擴(kuò)展公共區(qū)塊鏈系統(tǒng)。對(duì)于可擴(kuò)展性，區(qū)塊鏈分片是最流行的方法之一，它提供了方法來(lái)分散工作負(fù)載處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，因而不會(huì)迫使某個(gè)節(jié)點(diǎn)處理整個(gè)交易負(fù)載。數(shù)據(jù)被分區(qū)為單獨(dú)的桶，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配到特定的分區(qū)。通過(guò)這種方式，節(jié)點(diǎn)僅需處理和存儲(chǔ)與該節(jié)點(diǎn)所屬的分區(qū)或分片相關(guān)的交易。

區(qū)塊鏈分片戰(zhàn)略

分片的概念源于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)–將數(shù)據(jù)分割到多臺(tái)服務(wù)器以改進(jìn)交易處理。通過(guò)類似的方式，區(qū)塊鏈處理可以分配到多個(gè)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行模型，該模型可以提高性能，同時(shí)減少每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須處理和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。在這種方法中，必須調(diào)整驗(yàn)證交易數(shù)據(jù)塊的方法，這樣做可以實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量和更低的延遲性。

分片數(shù)據(jù)的確切方法因應(yīng)用程序而異，并沒(méi)有相同的最佳戰(zhàn)略。即便如此，基本概念是相同的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都分配到單獨(dú)的分片，負(fù)責(zé)驗(yàn)證該分片中的交易，而不是驗(yàn)證整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)交易。

同時(shí)，分片結(jié)合交易冗余以確保數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。在將數(shù)據(jù)分割到多個(gè)分片后，每個(gè)分片將分布到多個(gè)節(jié)點(diǎn)。例如，如果區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)支持1,000個(gè)節(jié)點(diǎn)，則數(shù)據(jù)可能被劃分到10個(gè)分片，每個(gè)分片分配到100個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)這種方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅處理和存儲(chǔ)十分之一的數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)仍然可以跨100個(gè)節(jié)點(diǎn)得以驗(yàn)證。

區(qū)塊鏈分片的優(yōu)勢(shì)很快就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。交易可以并行處理，并且，每秒可以處理更多交易，這是是傳統(tǒng)區(qū)塊鏈方法的10倍。并且，處理和存儲(chǔ)成本要低得多，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)只處理十分之一的數(shù)據(jù)。

分片面臨的4個(gè)挑戰(zhàn)

在私有企業(yè)區(qū)塊鏈部署中，分片可能是有效策略，但在公共區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)使用區(qū)塊鏈分片并不容易。最大的挑戰(zhàn)之一是分片間的通信。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)分配給分片時(shí)，與該節(jié)點(diǎn)相關(guān)的用戶和應(yīng)用程序會(huì)將分片視為獨(dú)立的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，而不是大型系統(tǒng)的一部分。分片之間的通信可能難以建立，并且需要特定的開(kāi)發(fā)工作來(lái)部署通信機(jī)制。即使有這種機(jī)制，分片間通信也會(huì)導(dǎo)致更大的開(kāi)銷，這會(huì)讓分片的優(yōu)勢(shì)大打折扣。

分片也可能破壞更傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈接帶來(lái)的制衡。通過(guò)分片，用戶不再下載和驗(yàn)證整個(gè)交易歷史記錄，因此他們無(wú)法確定數(shù)據(jù)的可靠性和不變性–這通常是根據(jù)交易塊的鏈?zhǔn)叫蛄衼?lái)確定。如果沒(méi)有這些安全機(jī)制，黑客就可更容易操縱或控制分片，這種情況被稱為單一分片攻擊，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或受損。

區(qū)塊鏈分片的另一個(gè)挑戰(zhàn)是共識(shí)和驗(yàn)證。不同的區(qū)塊鏈方法依賴于不同的算法來(lái)跨節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)。兩種常見(jiàn)的算法是工作量證明(PoW)和權(quán)益證明(PoS)。這兩者都可確定如何在分布式網(wǎng)絡(luò)中驗(yàn)證交易，但它們是以不同方式完成驗(yàn)證。

雖然這些算法的對(duì)比不在本文討論范圍，但重點(diǎn)是它們都會(huì)影響分片的部署方式。一般來(lái)說(shuō)，PoS被認(rèn)為比PoW更適合分片，有些人認(rèn)為PoW不合適是因?yàn)樗?yàn)證交易的方式。然而，很多區(qū)塊鏈平臺(tái)依靠PoW來(lái)提供服務(wù)。

這些算法的差異也帶來(lái)另一個(gè)挑戰(zhàn)：對(duì)于如何部署分片，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化。我們通過(guò)不同的方法來(lái)進(jìn)行分片，并且，很多方法仍然在研究、開(kāi)發(fā)或測(cè)試中。每種分片方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這使得難以確定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

分片的未來(lái)

對(duì)于公共區(qū)塊鏈部署，可擴(kuò)展性仍然是重大挑戰(zhàn)，而分片正在成為解決此問(wèn)題的主要方法之一。但我們必須謹(jǐn)慎應(yīng)用分片技術(shù)，以確保它不會(huì)對(duì)區(qū)塊鏈過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響或使數(shù)據(jù)置于風(fēng)險(xiǎn)之中。

事實(shí)證明，區(qū)塊鏈分片必須與其他技術(shù)結(jié)合使用以提供必要的可擴(kuò)展性，例如支持分片通信的新協(xié)議。在此之前，公共區(qū)塊鏈存儲(chǔ)可能仍然保持目前的整體性，直到隨著它變得越來(lái)越大，性能逐漸下降。