如何扩展以太坊：分片解释

【博主注】Raul Jordan（以太坊2.0的开发者）于7月10日在原文中反映了以太坊2.0的最新研究变化，原文发表于今年1月。 具体变化主要包括信标链、验证者注册合约（弃用验证者管理合约）、交叉链接、成为验证者的门槛（抵押30ETH）、相关学习资源链接等。

【声明】中文原文发表于以太坊爱好者社区，不能反映分片技术的最新变化。 但除涉及分片技术的部分发生较大变化外，其他部分保持不变。 因此以太坊超级节点收益，本文大部分内容沿用中文原文翻译。 在此感谢译者。

下面是正文！

关于可扩展性的讨论是加密社区的前沿和中心。 以太坊猫游戏大事件的发生，整个以太坊网络被封了好几天，让我们知道，最大的公链在目前的状态下是无法扩容的。

那么社区决定采取什么方法呢？ 两种解决方案。 第一个是通过链下方法（也称为第二层扩展）提高可扩展性，允许其中一些交易在区块链之外处理，并且只在必要时与区块链交互。 另一种方法是通过彻底改造协议设计来解决区块链面临的基本并行性问题。 不幸的是，我们中的许多协议开发人员经常看到这些问题，并对他们面临的问题感到头疼。

虽然我们仍处于以太坊的早期阶段，但社区中有很多具有技术头脑的人，而且如此多的创新正在以令人难以置信的速度发生。 人们很容易认为有更聪明的开发人员可能更有资格解决扩展等大问题，但这种感觉阻碍了我们。 事实上，社区愿意并准备帮助任何想参与其中的人以太坊超级节点收益，是的，包括你！ 本文将分析以太坊核心团队目前采用的分片方法，并揭示当前的局限性和改进途径。 到本文结束时，您将了解足够多的知识来自己探索这个问题，谁知道呢，也许您将成为构建第一个分片客户端的人！

随着以太坊上的交易数量不断攀升，时间在流逝。 开始吧。

什么是分片？

今天，运行以太坊网络的每个节点都必须处理通过网络传输的每一笔交易。 由于每个区块有很多验证，这使得区块链高度安全，但同时这意味着整个区块链只能与其单个节点一样快，而不是这些节点的总和。 目前，EVM 上的交易不是并行化的，每笔交易都是全局串行执行的。 解决可扩展性问题必须面对这样的想法，即区块链最多只能具有以下 3 个属性中的 2 个：

我们如何打破这种三难困境，将可扩展性纳入当前模型？ 我们不能通过增加块大小来增加吞吐量，或者在以太坊的情况下，通过增加 GAS_LIMIT 来增加吞吐量吗？ 这在理论上是正确的做法，但我们增加的越多，区块生产就越集中在运行在超级计算机上的节点上，从而为进入系统创造了更高的门槛。 【博主注：对节点设备的性能要求更高，间接增加了中心化程度。 馊主意]

一个更明智的方法是区块链分片的想法，我们将整个网络状态分成一系列称为分片的分区，其中每个分片包含自己独立的状态和交易历史。 在这样的系统中，特定的节点只为特定的分片处理交易，使得在所有分片中处理的交易吞吐量比在单个分片（如当前的主链）中处理所有交易高很多。

在我们深入研究分片区块链的实际工作原理之前，让我们回顾一些重要的术语：

有了这些，让我们看看以太坊 2.0 是如何工作的。 我们将创建一个名为随机信标链的侧链，它将自己区块的哈希存储到主链区块中。 这个侧链将是一个实现 Casper FFG 的纯粹的权益证明系统，提供一个分布式的随机源，允许我们在它之上构建一个分片系统。

一旦我们考虑到对网络的可能攻击，分片区块链的问题就会变得更加明显。 一个主要的问题是单分片控制攻击的概念，攻击者控制单个分片上的大多数整理器，以创建可以提交无效整理块的恶意分片。 我们如何解决这个问题？

Ethereum Wiki 上的分片常见问题解答建议在每个分片上随机抽样验证者。 这样做的目的是这些验证者无法提前知道他们得到的是哪个分片。 每个分片都会分配大量的验证人，真正验证交易的验证人会从验证人集合中随机选择。

首先，我们会在主链上部署这样一个合约，叫做验证者注册合约，人们通过销毁 32ETH 来换取成为侧链上的验证者。 信标链将定期协调已注册的验证者，从而将那些已销毁 ETH 的验证者排队。 该信标链将作为分片系统的协调设备，因为它允许分布式伪随机性，这对于选择分片上的验证者委员会至关重要。 随机性的来源需要公开，以保证抽样是完全强制性的，不能被相关验证者操纵。

在每个分片上，我们都有称为提议者的节点，其任务是在信标链上创建交叉链接，这是一种包含有关该分片的重要信息的特殊结构。

这些交叉链接就像是对特定分片的状态和交易的简短描述。 典型的交叉链接会告诉我们以下信息：

如果跨分片进行交易怎么办？ 比如我从分片1的地址汇款到分片10的地址，怎么办？ 这个系统最重要的部分之一就是跨分片通信的能力[博主注：即跨链通信]，否则我们就没有创新。

为了使系统正常工作，最初的想法是使用收据。

Raul（分片 1 上的地址）想要发送 100ETH 给 Jim（分片 10 上的地址）

发送到分片 1 的交易从 Raul 的余额中扣除 100 ETH，系统等待交易完成。 然后检索存储在 Merkle 树中而不是状态中的易于验证的交易收据。 创建一个包含 Merkle 收据作为数据的交易，并将其发送到分片 10。分片 10 检查收据是否未被使用。 分片 10 处理交易并将 100 Ether 添加到 Jim 的余额中。 从分片 1 发送的收据已被花费的事实也会被保存。 分片 10 生成新收据，可用于后续交易。

我觉得这对于 Solidity 开发者和以太坊用户来说太难理解了！ 我们如何教他们分片？

他们不需要学习。 分片将只存在于协议层，不会暴露给开发者。 以太坊状态系统看起来还是一样的，但是协议中会有一个内置系统，用于创建分片、平衡分片之间的状态、防止分片变得太小等。这一切都将在幕后完成，允许开发人员在以太坊上继续他们当前的工作流程。

超越扩展：超二次分片和难以置信的速度增长

为了精益求精，以太坊可能会采用超二次分片方案（简单来说就是建立在分片之上的分片系统）。 目前很难想象这种复杂程度，但扩展的潜力是巨大的。 此外，超二次分片区块链将为用户带来巨大的收益，将交易费用降低到可以忽略不计的数量，并为各种新应用提供更通用的基础设施。

相关资源和从哪里开始

好了，现在你要开始编写分片区块链了！ 如何开始？ 在最基本的层面上，该提案的初始实施不会通过硬分叉，而是通过称为随机信标链的侧链，它将作为权益证明 + 分片系统。

信标链将管理验证者和来自全球验证者集合的样本，并将负责所有分片状态的全球一致性。 Vitalik 在这里概述了一个很好的实现分片的参考文档：

要详细探索信标链的架构并了解有关系统工作原理的更多信息，请查看以下资源：

原文链接：