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區(qū)塊鏈擴(kuò)容所面臨的問題有很多：

1. 交易數(shù)量陡增。例如一些獨(dú)角獸和以太貓。

2. 現(xiàn)在產(chǎn)生區(qū)塊的過程，擴(kuò)容性受到限制。區(qū)塊中的gas limit，使得區(qū)塊的計(jì)算能夠受到限制。但是提高gas limit或者過多地減少區(qū)塊時(shí)間，都會(huì)導(dǎo)致過高的等待時(shí)間，并且降低網(wǎng)絡(luò)抵抗攻擊的能力。

3. 缺乏并行性（parallelizability）。首先，現(xiàn)有的以太坊虛擬機(jī)是線性處理交易。其次，每個(gè)全節(jié)點(diǎn)都要處理每個(gè)轉(zhuǎn)賬，然后把整個(gè)狀態(tài)樹都存儲(chǔ)，從而確保安全性和去中心化。

為了解決擴(kuò)容問題，分片技術(shù)通過進(jìn)行鏈上狀態(tài)分區(qū)，可以獲得更高的吞吐量。

技術(shù)方法

首先，我們需要了解區(qū)分主鏈和分片鏈上的一些專業(yè)術(shù)語：

你可以很容易地看出，轉(zhuǎn)賬應(yīng)該都整合在一組“校對(duì)”里面；就和一個(gè)區(qū)塊類似，這組校對(duì)也指向它鏈上的主校對(duì)，這就是我們要談?wù)摰姆制湣３蔀椤靶?duì)器”意味著有資格來在權(quán)益證明的分片鏈上提出新的校對(duì)。

基礎(chǔ)二次分片

分片鏈的共識(shí)取決于主鏈

和側(cè)鏈技術(shù)類似，只有很少部分的驗(yàn)證需要記錄在主鏈上，這也是我們想要擴(kuò)容區(qū)塊鏈的基本方案：（i）分片鏈有他們自己的轉(zhuǎn)賬方式，分片的驗(yàn)證者只需要驗(yàn)證他們?cè)谟^察的分片；（ii）分片鏈仍然追蹤主鏈，來通過權(quán)益證明機(jī)制來獲得更高層次的共識(shí)。

驗(yàn)證者管理合約（VMC）

為了加入主鏈上的分片鏈，就需要在主鏈上增加特殊的合約，被稱為驗(yàn)證者管理合約（VMC）。VMC是這個(gè)分片機(jī)制的核心; VMC的目標(biāo)可以看作如下：
1. 權(quán)益證明系統(tǒng)。如果驗(yàn)證者做出欺詐，他們的抵押就會(huì)被沒收。
2. 偽隨機(jī)抽樣。通過將最近的區(qū)塊哈希值作為起源，來選擇合適的校驗(yàn)者。基本上來說，驗(yàn)證者會(huì)將他們的權(quán)益抵押放入VMC，然后他們的驗(yàn)證代碼地址就會(huì)在VMC內(nèi)部的通用驗(yàn)證者池列表中記錄。一個(gè)分片鏈的驗(yàn)證者會(huì)從驗(yàn)證者池列表中被抽樣，然后成為特定時(shí)間段（正如下面解釋的那樣），特定分片的校驗(yàn)者。這個(gè)想法是為了讓驗(yàn)證者不能預(yù)測(cè)他們何時(shí)會(huì)成為校驗(yàn)者，以及他們會(huì)成為哪些分片的驗(yàn)證者。
3. 校驗(yàn)頭部驗(yàn)證。VMC包含addHeader(bytes collationHeader) 函數(shù)，用來驗(yàn)證校驗(yàn)頭部，同時(shí)也為有效的校驗(yàn)頭部哈希寫下記錄。這個(gè)函數(shù)會(huì)立刻提供鏈上驗(yàn)證。
4. 跨分片通信。通過使用UTXO模型，用戶可以將以太幣通過轉(zhuǎn)賬調(diào)用存入特定的分片，并且在主鏈上創(chuàng)建回執(zhí)（帶有回執(zhí)ID）。分片鏈的用戶可以通過給定的回執(zhí)ID創(chuàng)建消耗回執(zhí)的轉(zhuǎn)賬，從而發(fā)出這個(gè)回執(zhí)。
5. 鏈上治理。通過讓VMC作為國會(huì)。它能讓驗(yàn)證者在鏈上進(jìn)行投票。

如何在分片中提出校驗(yàn)？

VMC會(huì)維護(hù)100個(gè)分片(SHARD_COUNT = 100)。每個(gè)分片都會(huì)同步處理轉(zhuǎn)賬，而且分片i的客戶端只需要驗(yàn)證分片i上的轉(zhuǎn)賬。“時(shí)間段”是通過區(qū)塊時(shí)間窗口來定義的，例如PERIOD_LENGTH = 5 表示這個(gè)時(shí)間段有5個(gè)區(qū)塊產(chǎn)生。這會(huì)在每個(gè)時(shí)間段進(jìn)行說明，對(duì)于每個(gè)分片，只能少于或等于1個(gè)有效校正。

一旦驗(yàn)證者選出來成為校驗(yàn)者，并且提出新的校驗(yàn)，那么這個(gè)校驗(yàn)者就必須要驗(yàn)證近期的校驗(yàn)，同時(shí)發(fā)出轉(zhuǎn)賬，調(diào)用addHeader 函數(shù)。需要注意地是，如果校驗(yàn)者在第10階段被選出來進(jìn)行新的校驗(yàn)，這意味著addHeader 轉(zhuǎn)賬就必須要包含在階段10，也就是說，區(qū)塊數(shù)10 * PERIOD_LENGTH to block number (10 1) * PERIOD_LENGTH?—?1.

校驗(yàn)的頭部哈希必須要記錄在VMC上，從而證明它的頭部是有效的。而且，分片的其他驗(yàn)證者必須要時(shí)刻地觀察VMC，從而獲得最新的狀態(tài)。然后驗(yàn)證是否這些轉(zhuǎn)賬是有效的。

分片鏈的分叉原則

在基本的分片技術(shù)中，分叉選擇準(zhǔn)則取決于最長的主鏈。給定分片的有效頭部并不是簡(jiǎn)單地“最長有效分片鏈”的頭部校驗(yàn)，而是“所有最長有效主鏈中的最長有效分片鏈”。

下圖的例子中，主鏈有兩次硬分叉，而且第二個(gè)鏈在下圖中是最長的有效主鏈。因?yàn)?block B3是頭部區(qū)塊，很容易就可以看到審查C3是頭部審核。

然后block B3′就會(huì)到下圖中的流程。假設(shè)現(xiàn)在block B3 的得分是比 block B3′的分?jǐn)?shù)高，所以上面的鏈仍然是最長的主鏈：

最后，block 4 就會(huì)到下圖的流程。需要注意地是，在這個(gè)分片中，collation C3就比collation C2的分?jǐn)?shù)更高，但是下面的鏈?zhǔn)亲铋L的有效主鏈，所以collation C2 就是現(xiàn)在的頭部審核：

在擴(kuò)容性和安全性之間找到平衡

區(qū)塊鏈系統(tǒng)只能至多有以下3個(gè)特性中的2個(gè)：去中心化，擴(kuò)容性和安全性。

分片其中一個(gè)重要的機(jī)制，就是如何在鏈上產(chǎn)生隨機(jī)性。

-被選為審核者的概率應(yīng)該只是相對(duì)的，并且和驗(yàn)證者的資金存入成正比。
-如果驗(yàn)證者可以預(yù)測(cè)或者選擇他們要參加的分片，那么最不誠信的驗(yàn)證者就可以和其他人串通，并且開始惡意攻擊。

如果抽樣過程不能有很高的隨機(jī)性，那么攻擊者就能開始在分片中開始1%的攻擊：如果有100個(gè)分片，攻擊者就可以專注于攻擊某個(gè)特定的分片，他們只需要1%的哈希力（PoW）/抵押（PoS）就可以控制整個(gè)分片。

區(qū)塊鏈分片的顯性最終確定性

顯性最終確定性vs 隱性最終確定性

首先，我必須要澄清分片機(jī)制應(yīng)該能夠應(yīng)用在工作量證明和權(quán)益證明的鏈上；盡管如此，例如Casper的顯性終結(jié)性會(huì)讓分片變的更強(qiáng)。

在通用的工作量證明鏈上，終結(jié)性是有概率的和隱性的；換句話說，盡管區(qū)塊已經(jīng)有了上千次確認(rèn)，還是有可能去重寫這個(gè)鏈。相反地，使用權(quán)益證明的Casper FFG數(shù)字經(jīng)濟(jì)機(jī)制就會(huì)有顯性的終結(jié)性，也就是說我們可以檢查在這個(gè)協(xié)議中，是否已經(jīng)是最后的結(jié)果。
對(duì)于協(xié)議內(nèi)的顯性終結(jié)性，其中也有一個(gè)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。在2/3 1 and 1/3 1的時(shí)候，它會(huì)創(chuàng)造最理想的尺寸。相應(yīng)地，任何不在2/3 1 處進(jìn)行審查的節(jié)點(diǎn)，就會(huì)變?yōu)?。

取決于主鏈的最終確定性

在普通的分片技術(shù)中，分片鏈和主鏈掛鉤。對(duì)于分片驗(yàn)證者而言，我們希望分片技術(shù)，區(qū)塊鏈性能可以是單個(gè)鏈的100倍，因此這些100個(gè)分片的所有驗(yàn)證者都需要觀察VMC的狀態(tài)，從而獲得正確有效的頭部審查。對(duì)于驗(yàn)證者來說，清楚地知道他們是審查者，這點(diǎn)很重要；對(duì)于普通用戶，如果我們應(yīng)用第2部分的跨分片轉(zhuǎn)賬，普通的用戶也需要取回在VMC上的存款信息（回執(zhí)ID）。顯性的結(jié)果會(huì)幫助降低主鏈和眾多分片鏈之間的不確定性。

顯性最終確定性可以幫助無狀態(tài)客戶端

無狀態(tài)客戶端是指不存儲(chǔ)整個(gè)狀態(tài)樹的客戶端，他們只存儲(chǔ)狀態(tài)樹根部的狀態(tài)。歸檔客戶端存儲(chǔ)全部的狀態(tài)樹，并且提供審查所需要的Merkle樹分支。通過這些Merkle樹分支，無狀態(tài)客戶端能夠打造部分狀態(tài)樹，而且驗(yàn)證審查。
一旦驗(yàn)證者被選出，整個(gè)過程就會(huì)開始同步，并且開始洗牌（也就是說，改變驗(yàn)證者觀察的分片，并且同步分片鏈）。通過無狀態(tài)客戶端機(jī)制，洗牌的花費(fèi)幾乎降為零，因?yàn)樗麄冎恍枰?yàn)證最近的審查（也就是說，那些分?jǐn)?shù)高的審查）來同步分片。

由于同步過程會(huì)快很多，無狀態(tài)客戶端模型會(huì)可以在每個(gè)審查之間進(jìn)行混洗。它不僅會(huì)減少存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)和開銷，而且也會(huì)讓這個(gè)系統(tǒng)更加安全，因?yàn)轭l繁采樣能夠獲得適應(yīng)性攻擊的抵抗能力。

雖然同步的費(fèi)用變得非常低，但是在某個(gè)時(shí)間段，無狀態(tài)的驗(yàn)證者仍然需要驗(yàn)證盡可能多的審查（collation），來確定他們會(huì)獲得最高分?jǐn)?shù)的有效審查（collation）。

Casper FFG 將會(huì)提供顯式最終確定性閾值after about 2.5 “epoch times”，也就是說，125 個(gè)區(qū)塊時(shí)間 。如果在再混洗期間，驗(yàn)證人能夠驗(yàn)證超過 125 / PERIOD_LENGTH = 25 collation，分片系統(tǒng)能夠從顯式最終確定性中受益，確信從現(xiàn)在起的前 25 個(gè) collation 可以最終確定。當(dāng)然了，如果在同步時(shí)有更多 collation 得到驗(yàn)證，就會(huì)更加安全。

結(jié)論

希望此文可以給大家一個(gè)關(guān)于目前以太坊分片設(shè)計(jì)的初步介紹，以及顯性的最終確定性是如何能夠讓分片機(jī)制獲得好處。