人人都能讀懂的「以太坊2.0分片設計」
編者按：本文來自碳鏈價值（ID：cc-value）編者按：本文來自
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二級標題
如何分片
當我們在7-11買早餐的時候，如果只有一個收銀員，就要排很長的隊等待結帳；如果有兩個收銀員，立刻就會快一倍；假如有四個收銀員，也許就不用排隊了。這就是分片的基本邏輯，把一個人的工作分給多個人來完成以提升效率。
二級標題
從以太坊分佈式賬本的角度來看就是：分片前只有主鏈這一個賬本，每秒大約能處理12～45筆交易，當交易量大於這個數據時就需要排隊，也就是網絡會擁堵；分片就是把一個賬本變成64個賬本，讓它們同時來處理交易，相當於7-11開了64個收銀台來收銀。
分片的邏輯很簡單，但為什麼如此難以實現？因為把一個賬本分成64個賬本記賬，會面臨很多新的問題，分片技術要做的正是解決掉它們。本文將從這些問題出發，來弄清以太坊2.0的分片到底是怎麼一回事。
二級標題
如何分片
1. 把交易分配給分片
一個分片中包含交易和把交易打包進區塊的驗證者，完成分片的第一步就是要確定如何給某個分片分配交易和驗證者。先來看分配交易。
讓我們用三個村莊的故事來理解：有一個漁村、一個獵戶村、一個農夫村，村莊內和村莊間常常有交易，但沒有貨幣，大家記賬。以前是用一個賬本記三個村子的賬，速度有點慢，現在改成三個賬本記，那麼由哪個賬本來記哪些帳了？
有一個方法是，三個賬本放在那兒，來了一筆交易後，看哪個賬本前沒人排隊就記在哪個賬本上；但這會帶來一個問題就是，每個賬本都必須有所有人的賬戶信息，不然我來你這裡排隊，而你沒有我的賬戶。
正因為如此，該分片方式的一個主要問題就是不能減少單一賬本上存儲的數據量，而這種存儲需求對於想參與記賬的節點是很高的門檻；該方式還需要解決雙花問題，因為一個人可以同時在不同的分片中花費同一筆錢。
另一個方法是，漁村有一本賬，獵戶村有一本賬，農夫村有一本賬，賬本中都只有自己村莊的賬戶信息，也只記錄自己村莊內的交易。如此一來三個賬本就可以同時記賬，記賬效率高，存儲需求少。這正是以太坊採用的分片方法：狀態分片，每個分片存儲且只存儲屬於自己分片的賬戶狀態。在實現上，以太坊是由用戶自己選擇加入哪一個分片，而不是按自然村莊分片。
狀態分片最大的問題是，如果漁村的人要和獵戶村的人交易怎麼辦？漁村的賬本里沒有獵戶村人的賬戶，獵戶村的賬本里也沒有漁村人的賬戶。實際上，這正是分片技術面臨的最大考驗，跨分片通信。徹底解決這一問題的時候，就是以太坊2.0可以被使用的時候。本文將在第二部分討論該問題的一些解決方法。
2. 把驗證者分配給分片
在把交易安排到不同的分片後，下一個要解決的問題是如何為某個分片分配記賬的人，也就是分配驗證者。
以太坊有64個分片，每個分片有128位驗證者，如果分片的驗證者是固定的或者可預知的，那攻擊者控制分片，也就是收買128中的2/3是一件容易的事情，怎麼辦？以太坊的解決辦法是隨機從所有驗證者中選出某個分片的驗證者，並且每6.4 分鐘（一個epoch的長度）更換一次驗證者。如此一來，攻擊者就只有萬億分之一不到的機率能控制一個分片中2/3 的人（推理過程見參考資料1）。
信標鏈的主要工作之一就是為分片鏈分配驗證者，該工作最需要關注的是隨機性的實現。首先在於隨機性的重要程度，如果不能隨機分配驗證者，就無法保證賬本的安全；其次在於隨機性的難度，在區塊鏈上實現隨機是一件異常困難的事，可以認為到目前為此還沒有真正稱得上是工程實現了的經受了驗證的隨機算法。
以太坊的方案是使用RANDAO+VDF提供隨機數，以實現隨機性。把RANDAO拆解成RAN（random）和DAO就很易理解，它是指一群人中的每個人都獨自提出一個隨機數，再把所有人的隨機數合在一起生成最後被使用的那個隨機數。因為任何人都難以知道其他人提供的數字，也就難以預知合起來的最終數字。
為解決這一問題，以太坊引入了VDF（可驗證延遲函數），它的作用很簡單，就是讓最後一個提供隨機數的人無法在自己提供數字之前算出之前所有人的隨機數之和，因而也就無法操縱隨機數。 （RANDAO+VDF的詳細介紹見參考資料2）
3. 由中繼者存儲分片
那麼誰來保管不同村莊的賬本？以太坊引入了中繼者（狀態提供者）這個角色，由他們負責存儲不同分片的賬戶狀態，且可以只為某一分片服務。中繼者的工作易於理解，但怎麼為他們的服務付費、如何保證他們的誠實……這些相關機制的設計是需要解決的全新問題，也是社區成員應該參與討論的治理問題。
二級標題
跨分片的交易
但我們無法要求每個用戶都存儲全部的舊賬，以便在發起交易後能夠證明該交易，這時候就需要「中繼者」，它存儲了該分片的全部賬戶狀態，只要用戶提起需求，它就能夠幫助用戶向驗證者提供交易的見證數據。
二級標題
Vitalik Buterin在3月11日發表文章提出用多項式承諾代替狀態根，該技術就是被用於此處，它是改用零知識證明的方法為交易提供證明，可以理解為是把數據的計算結果提供給驗證者做驗證，而不是直接把所有相關數據提供給驗證者做驗證，這種方法能大幅減少見證數據的大小，也就能有效降低各種開銷。 （Vitalik新方法的詳細介紹見參考資料3，無狀態客戶端的詳細介紹見參考資料4）
到這一步，就完成了把一個賬本分為多個賬本，也就是劃分分片的工作。
二級標題
跨分片的交易
如果漁村的人只和漁村的人交易，獵戶村的人只和獵戶村的人交易，那各個村莊把自己的賬記好就行，這並不需要什麼新技術。可如果漁村的人要和獵戶村的人交易怎麼辦，不同的賬本如何互通？這正是狀態分片面臨的最棘手的問題。
解決這一問題有兩種思路，一是同步（緊耦合），二是異步（松耦合）。
假設漁村有個人叫甲，獵戶村有個人叫乙，甲要給乙100塊，同步是指：當甲發起轉賬後，漁村和獵戶村的記賬人都知道這筆交易及交易進展，漁村記賬人在賬本上給甲減了100，獵戶村記賬人在賬本上給乙加了100，交易完成，兩個村莊同步生成新區塊。
異步是指：當甲發起轉賬後，漁村的賬本給甲減了100，生成新區塊；獵戶村記賬的人在之後以某種方式收到了這個消息，確認甲的錢確實被減少後，就在自己的賬本上給乙加100，交易完成，但兩個村莊是異步生成新區塊的。
如果甲只轉給乙100塊，漁村和獵戶村在聽到這筆交易後，很容易確認大家都是這麼記賬的，漁村的賬本就給甲減了100，獵戶村給乙加了100，完成記賬。但如果甲轉給乙100，緊接著又轉給乙50，發生連續狀態改變，不過甲一共只有120塊，這時候兩個村莊就難以確認對方是怎麼記賬的：
要是每個驗證者都自己去找對方的驗證者交流，通訊開銷會激增，達成某一結果也極其困難；要是通過雙方的村長交流，每個村莊內部就需要預先進行一輪共識，再由村長把一個確定的結果告訴對方，這除了增加開銷，還難以實現，因為以太坊的共識機製本身就是無法達成確定結果（finality）的。
異步方式自己的問題是原子性故障。交易本該具有原子性，要么執行，要么不執行，但在異步方式下，有可能出現交易的一部分確定了，但另一部分被拋棄了。
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比如漁村給甲減了100的那個區塊最後在漁村主鏈上，被確定了，但獵戶村給乙加上100的那個區塊最後在獵戶村側鏈上，被拋棄了。原子性故障是一個問題，但可以通過設計解決，關於這一部分的詳細介紹可見文末參考資料5。
以太坊討論過一些異步架構模型，最新一種是由Vitalik在2019年10月的DevCon 5 大會上提出來的，其基本思路就是用信標鏈傳遞信息：在每一個slot（12 秒），分片鏈產生區塊並與信標鏈區塊交叉鏈接，其連接方式如下圖，這樣一來，任何分片在打包自己的新交易時都能通過信標鏈知道之前所有其他分片的信息。不同分片間異步一個slot。
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這種方法減少了跨分片交易的等待時間，但提高了對信標鏈的要求，信標鏈需要為所有分片存儲證明數據；這種方法還增加了交聯的鏈接數量（原設計為每個epoch ，也就是6.4分鐘、32個區塊交聯一次），這必然增加各種相關開銷，也因為如此，以太坊的分片數量從1024片改為了64片，從另一個設計方向上減少總的鏈接數量。 （該架構的詳細介紹見參考資料6）
從目前的一些分片設計方案看，同步模型更傾向於分片與分片自己溝通，異步模型更傾向於分片與分片互不往來，通過某個第三者溝通；前者面臨通訊量的問題，後者面臨多種開銷的平衡問題。跨分片交易的設計與實現尚在進行之中，暫不能確定以太坊2.0最終採用哪種架構。
跨分片的智能合約
參考資料：
1.《 Minimum Committee Size Explained》在介紹完分片和跨分片的交易後，以太坊2.0開發之路上的終極大BOSS來了，它就是跨分片的智能合約。跨分片交易和跨分片智能合約的區別在於交易只有全局變量，而智能合約有局部變量。局部變量會帶來什麼麻煩？
2.但對於跨分片的智能合約，問題來了，這棵樹葉子上保存的數據都是全局變量，沒有局部變量，如果一個分片的智能合約調用另一個分片的智能合約時，兩者如何傳遞局部變量的信息？這棵樹無法為它們提供服務。參考資料：
3.《Using polynomial commitments to replace state roots》；作者，Chih-Cheng Liang；
4.目前還沒有看到成體系的智能合約跨分片的設計方案，但有看到兩種提議，一種是提議把相關聯的智能合約放入同一個分片執行，也就是消滅智能合約跨分片的需求；一種是提議採用SIMD （單指令流多數據流）技術，讓智能合約本身能夠並行執行。以太坊2.0會在Phase 2引入智能合約，這代表著要到Phase 2才實現智能合約的跨分片，而只有邁過這一步，才可以真正宣告以太坊進入到2.0時代。
5.；作者，Vitalik Buterin；以上即是對以太坊分片設計及設計中難點的介紹。當前還處在以太坊2.0實現的初級時期，如下幾個關鍵詞是現階段值得重點關注的：狀態分片、無狀態客戶端、隨機數。
6.《Eth2 shard chain simplification proposal》參考資料：
7.；作者，Chih-Cheng Liang；；作者，Bruno Škvorc；翻譯，Jhonny、阿劍；
8.《Merge blocks and synchronous cross-shard state execution》；作者，Vitalik Buterin；
