通往百萬TPS之路（四）：區(qū)塊鏈分級、分層、分片設計區(qū)塊鏈
但如果實現(xiàn)了分片，那比特幣網(wǎng)絡則是可以實現(xiàn)無限擴展，什么百萬TPS，都不在話下，什么1M、8M、32M根本就不是事，至少1G區(qū)塊。
第0章 引言
如果你關(guān)心區(qū)塊鏈的可擴展性設計，你可能會遇到分層設計和分片這兩個概念，我今天介紹這兩個概念，同時補充分級這個概念來修正社區(qū)討論分層設計時的一個誤區(qū)。
第1章 分級設計
在比特幣擴容爭議中，小區(qū)塊的支持者最常使用的一個支持小區(qū)塊的邏輯就是應該采用分層設計——主鏈承當結(jié)算層，閃電網(wǎng)絡充當支付層，或者稱為大額交易走結(jié)算層，小額支付走閃電網(wǎng)絡。
但我覺得主鏈和閃電網(wǎng)絡將這種行駛相同功能，按功能的規(guī)模設計分成“分層”，并不能真正稱為分層設計，這個應該稱為分級設計。
我以前做機械設計的，設計過過濾粉塵的機器，就經(jīng)常會用到分級設計。使用一個粗孔濾芯，先過濾掉一些大顆粒粉塵，然后再用細孔濾芯，過濾小顆粒粉塵。處理同一類對象但“物理大小”不一樣，設計成多級。這樣設計的好處在于節(jié)省運營成本。如果過濾器不分級，直接按最小顆粒來設計濾芯，那很快就要換濾芯，越細孔的濾芯成本越高。但分級成，使用兩級來分擔過濾任務，粗孔濾芯更便宜，讓粗孔濾芯先過濾掉大粉塵，細孔濾芯壓力就小，這樣可以節(jié)省成本。
分級設計在我們生活中是非常常見的，我們家庭常用的飲用水過濾器就是分級的。
比特幣擴容方案選擇的時候，有人提出使用閃電網(wǎng)絡來分流主鏈的壓力，這屬于分級設計。因為這種提議，主鏈和閃電網(wǎng)絡行駛的功能是完全一樣的，都是發(fā)交易的支付行為。雖然有人將主鏈的交易行為稱為“結(jié)算”，但這個叫法無法改變行為的功能。
因為比特幣主鏈上發(fā)交易的成本是最高的，對個人來說，需要支付礦工費，對比特幣系統(tǒng)來說需要所有節(jié)點來完整驗證交易，需要系統(tǒng)的CPU、帶寬、硬盤。而在閃電網(wǎng)絡上發(fā)交易的成本是較低的，對個人來說，閃電網(wǎng)絡里的手續(xù)費更低，速度更快，對比特幣系統(tǒng)來說，并不需要所有節(jié)點去驗證閃電網(wǎng)絡內(nèi)的交易，只需要驗證進出閃電網(wǎng)絡的交易。
同樣的，使用offchain錢包來完整同錢包內(nèi)的轉(zhuǎn)賬，也屬于分級設計。因為offchain錢包，只是錢包公司自己完整數(shù)據(jù)的調(diào)整就可以了，這和在比特幣網(wǎng)絡上發(fā)交易是完全不一樣的成本。
分級設計中，第一級（主鏈）是根本就不需要關(guān)心第二級是什么樣子的，但第二級（閃電網(wǎng)絡和offchain等）是需要關(guān)心主鏈的。比如閃電網(wǎng)絡就需要監(jiān)視主鏈，以保證不會出現(xiàn)支付通道的人做廣播欺詐。
分級設計中，第二級出了問題，并不會傷害第一級主鏈。比如offchain錢包被盜了，跟主鏈毛關(guān)系都沒有。但反過來則不一樣。
分級設計其實是人對成本的考量而催生出來的，并不需要頂層設計，讓市場自由博弈就能涌現(xiàn)出來分級解決方案。
第2章 分層設計
互聯(lián)網(wǎng)最成功的分層設計應該是網(wǎng)絡協(xié)議分層，就是我們熟知的七層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，什么物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層……
分層的基本設計原則是：
各層是獨立的，各自層做好自己的事即可。
層和層之間的功能是不一樣的。
層和層之間的交流都是通過接口通信，只要接口保持不變，層內(nèi)部的設計可以改變，且不會影響別的層。
目前各種區(qū)塊鏈的設計，各種宣稱說自己是分層設計的，往往都是不符合上述原理。
比特幣比較接近分層設計的思想是側(cè)鏈的設計原理。側(cè)鏈可以完整獨立設計成和主鏈完全不一樣的功能，比如RSK目標是實現(xiàn)智能合約。而比特幣主鏈實現(xiàn)的核心功能就是UTXO的轉(zhuǎn)賬和賬本的更新維護。側(cè)鏈和主鏈只是通過特定的交易來充當接口。但側(cè)鏈往往需要關(guān)心主鏈在干嗎，主鏈是不需要關(guān)心側(cè)鏈的。這就是側(cè)鏈和主鏈并不是相互獨立的。
比特幣（包括BTC和BCH），尤其是BCH的OP_Return就是一個將來非常好的擴展為分層的設計。比特幣主鏈對OP_Return里的數(shù)據(jù)只關(guān)心是否為真，并不關(guān)心具體的數(shù)據(jù)。那OP_Return就可以在里面設計出一整套新的功能，只要這里面的代碼最后在BCH主鏈的交易里為真。而主鏈和OP_Return設計出來的新層是不需要相互關(guān)心的。
很早之前，以太坊的V神就想在OP_Return上實現(xiàn)他的以太坊的智能合約設想，可惜當時被Core開發(fā)組限制了。
比特現(xiàn)金B(yǎng)CH的開發(fā)正在拿OP_Return大做文章。
其實比特幣的元幣協(xié)議，就是一個很好的分層設計，只是一直沒有被廣泛使用起來。但現(xiàn)在我還沒有充值理解元幣協(xié)議，以后搞懂了再來講。
以太坊并不是分層設計，所有的功能都是在同一層上。以太坊所有的Dapp都是在同一套賬本層里做事，并沒有分層處理。
第3章 分片設計
分片設計目前還沒有做完，無論是在比特幣還是在以太坊上，都沒有實現(xiàn)。但我可以簡單講下原理。
現(xiàn)在比特幣網(wǎng)絡處理交易是這樣的，一個節(jié)點收到一波交易，比如1萬筆，節(jié)點會先將這些交易序列化，即給這些交易編個號排隊，然后一筆一筆去驗證。如果碰到某一筆驗證無法通過，比如需要前置零確認的交易，那就先緩存起來。如果碰到有非法的交易，則直接丟棄。
比特幣現(xiàn)在的這種處理交易方式就是串行的，即一個時間點，只能處理一筆交易。這樣做就會有很大的瓶頸，單一電腦再牛逼，處理能力也會有上限。
那能不能分成兩臺電腦，比如將1萬筆交易，分成兩波，5000筆一波，分別發(fā)給一臺服務器去驗證呢？不能！目前比特幣還不支持這種并行驗證。
如何要做到并行驗證呢？那就是要講到分片設計了。
比特幣的UTXO的“物理實體”是這樣的，一筆UTXO在電腦里存的主要數(shù)據(jù)是以下四個部分：
1生成這筆UTXO的交易的txid；
2生成這筆UTXO的交易的輸出序列號index。因為大部分交易是一個或多個輸入，多個輸出，第一個輸入序列號是0，第二個是1。
3鎖定腳本lockscript。
4是金額value
其中txid是16進制表達，即使用0到F來表達，如果將首字符來分類，0歸一類，1歸一類……F歸一類，就可以分為16類。如果使用首兩個字符來分類，00一類，01一類……FF一類，那就可以分為256類……如果使用4個字符呢？16^4類。
我們將上述的一類稱為一個片，這就是分片。分片后，將一類分給一臺電腦去處理，另一類分給另一臺去處理……，256片就可以分成256臺電腦來處理。
而UTXO的txid就是交易的txid，則打包交易的區(qū)塊，也可以按這種分類來打包，比如分成256片，則同一區(qū)塊里，可以設成256個分區(qū)，一個分區(qū)打包一個片。
也就是說，UTXO、交易、和區(qū)塊都可以按同樣的規(guī)則分片。
這樣比特幣全網(wǎng)就可以實現(xiàn)節(jié)點可選擇處理哪一個分片，比如我運行一個節(jié)點，我只收、驗證和廣播特定分片的UTXO、交易和區(qū)塊。
這樣就實現(xiàn)了比特幣網(wǎng)絡的并行擴展。
但這種分片還是很復雜的，我上面講的只是基本的原理，要完成設計是非常復雜的。比如一個UTXO去花費兩次，是可以實現(xiàn)不同的txid，然后發(fā)到不同的分片，如果分片之間沒有機制來通信，則可能會雙花成功，但如果分片之間還要為這種攻擊大量通信，則還不如不分片呢。
但如果實現(xiàn)了分片，那比特幣網(wǎng)絡則是可以實現(xiàn)無限擴展，什么百萬TPS，都不在話下，什么1M、8M、32M根本就不是事，至少1G區(qū)塊。因為一臺電腦處理不了，可以搞16^n臺來處理好了，一個人買不起16^n臺電腦（中心化）的話，那就找16^n個人每人買一臺好了。
以太坊的分片更復雜，我暫時講不明白。
BCH的開發(fā)正在全力開發(fā)UTXO分片，我也在努力學習這些知識，以求能貢獻一點知識。
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