1. 概述
????????將網(wǎng)絡(luò)的整個狀態(tài)分割成一系列被稱為分片的分區(qū)，其中包含自己獨立的狀態(tài)片及交易歷史記錄。
解決的問題：
（1） 網(wǎng)絡(luò)分片
????????利用隨機性將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點分割成若干個小網(wǎng)絡(luò)，每一個小網(wǎng)絡(luò)即是一個分片，這也是分片技術(shù)的第一步。
（2） 交易分片
????????在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分片后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一筆交易的獨特標(biāo)識（例如哈希值）來決定這筆交易由哪個分片來處理。
（3） 狀態(tài)分片
????????在一個狀態(tài)分片的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，某一個特定的分片只會保留一部分交易數(shù)據(jù)，而并非全網(wǎng)所有的交易數(shù)據(jù)。
2. 需要考慮的問題[2]
1.?????跨分片通信- 如何安全地增加跨分片通信。
2.? ? ?單分片接管攻擊- 在一個分片中攻擊者接管了大多數(shù)協(xié)調(diào)者
3.?????欺詐檢測-節(jié)點如何能夠得知一個無效的排序規(guī)則，以便它們可以驗證欺詐行為并且確認(rèn)是欺詐行為之后拒絕這個排序規(guī)則？
4.?????數(shù)據(jù)可用性問題- 由于某種特定的原因，一些特定的分片遭到了攻擊而導(dǎo)致其脫機。由于分片并沒有復(fù)制系統(tǒng)的全部狀態(tài)，所以網(wǎng)絡(luò)不能再驗證那些依賴于脫機分片的交易。
????????解決此問題的方法是維護(hù)存檔或進(jìn)行節(jié)點備份，這樣就能幫助系統(tǒng)進(jìn)行故障修復(fù)以及恢復(fù)那些不可用的數(shù)據(jù)。但是，這樣就使得一些節(jié)點將不得不存儲系統(tǒng)的整個狀態(tài)，同時這還會引發(fā)一些中心化的風(fēng)險。
5.?????火車旅館問題-? 假設(shè)用戶想要購買一張火車票并預(yù)訂一家旅館，并且想要確保這個操作是原子的。如果兩者在不同的分片上，如何保證來自于跨分片的消息可以在固定的周期內(nèi)被包含在另外的分片中。
6.?????隨機數(shù)產(chǎn)生- A.確定性門限簽名方法是另一種不被少數(shù)群體聯(lián)盟利用的隨機數(shù)生成方式。B.使用區(qū)塊的哈希作為隨機種子。C. others
7.? ? ?用戶端保存狀態(tài)- 無狀態(tài)客戶端: 不存儲整個狀態(tài)樹，只存儲狀態(tài)樹根。
8.? ? ?分叉選擇規(guī)則- 發(fā)生分叉的選擇規(guī)則
3. 以太坊
3.1 共識機制
????????由于POW共識會導(dǎo)致算力分散，容易出現(xiàn)單分片接管。以太坊選擇了POS共識作為分片后的共識。但是POS存在兩個問題：
1.? ? ? 無利害攻擊問題
????????早期的Pos機制下，只考慮到獎勵，沒有對應(yīng)的懲罰機制，產(chǎn)塊者傾向于兩個分支都添加，因為它不用付出額外的代價，但是增加了收益概率。
2.? ? ? 遠(yuǎn)程攻擊問題
????????某個時刻，網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)人從一個歷史久遠(yuǎn)的塊開始分叉。
????????基于上訴兩個問題，以太坊設(shè)計了Casper共識[4]。Casper是一種基于保證金的經(jīng)濟激勵共識協(xié)議，必須先繳納保證金才可以參與出塊和共識形成，一個驗證人作出了任何Casper認(rèn)為“無效”的事情，他的保證金將被罰沒，出塊和參與共識的權(quán)利也會被取消。
????????投注共識：驗證人對每一個高度上的每一個候選塊獨立下注，給每個塊指定一個勝出概率并公布。驗證人中的絕大多數(shù)以非常高的概率下注某個塊時，任何不包含這個塊的分叉都不可能勝出，此時我們說這個塊已最終確認(rèn)。
具體細(xì)節(jié)不展開
3.2??設(shè)計框架
1)? Main chain 主鏈
????????以太坊2.0的初始部署階段，是不需要對PoW鏈進(jìn)行共識更改的。相反的是，我們會向PoW鏈添加一個注冊合約，以存入ETH。這個注冊合約會通過beacon鏈發(fā)出一個帶有各種參數(shù)的日志。它不會進(jìn)行驗證，而是把注冊邏輯發(fā)送給beacon鏈。
2)? Beacon chain 信標(biāo)鏈
Beacon鏈?zhǔn)荘oS系統(tǒng)的“主鏈”，beacon鏈的主要職責(zé)是：
1. 存儲并維護(hù)活躍、列隊等待以及退出驗證者的集合；
2. 處理交聯(lián)（交聯(lián)是beacon鏈“了解”分片鏈更新狀態(tài)的主要手段）；
3. 處理逐塊一致性，以及finality gadget；
4. 為每個分片指定所選的區(qū)塊提議者；
5. 組織驗證者進(jìn)入委員會，對擬議的區(qū)塊進(jìn)行投票；
6. 用共識規(guī)則對驗證者實施獎勵和處罰；
7. 作為一個錨點，其中分片會注冊它們的狀態(tài)，以促進(jìn)跨分片交易；
????????成為驗證者的唯一機制，是往以太坊PoW主鏈發(fā)送一筆包含32 ETH 的交易至一個注冊合約。
????????在注冊器合約內(nèi)質(zhì)押的是 PoW 以太，獲得的收據(jù)可以“創(chuàng)造”出PoS 以太。因為注冊器合約無法撤銷，所以 PoS 以太不能轉(zhuǎn)回 PoW 以太，并且只有在驗證者退出系統(tǒng)之時才能被退回到一個分片地址，而且 PoS 以太（在初期階段）是不能交易的。雙生以太并行的狀況不會持續(xù)太久，除非發(fā)生以下情況[3]：
1. 狀態(tài)轉(zhuǎn)換即將實現(xiàn)，參與者可以選擇撤銷注冊器合約，PoS 以太可以轉(zhuǎn)換成等價值的 PoW 以太。
2. PoW 鏈變成一個分片或者存儲合約，PoW 以太會被逐漸淘汰，并在匹配地址上自動轉(zhuǎn)換為 PoS 以太（向后兼容）。
3)? Shard chain 分片鏈
????????分片鏈只有一小部分的證明必須記錄在主鏈上。 分片鏈上的交易處于自己獨立的空間中，分片驗證人只需要驗證他們所關(guān)注的分片。 分片鏈也通過 POS 機制依附于主鏈，以獲得更高層次的共識（higher level ofconsensus）。
????????跨分片通信。利用 UTXO 模型，并通過在主鏈上進(jìn)行交易和創(chuàng)建一個receipt，用戶可以將以太存入一個指定分片。分片鏈上的用戶可以給定 receipt ID 創(chuàng)建一個消費 receipt的交易，來花費該 receipt。
3.1 細(xì)節(jié)補充
1) 節(jié)點類型：
A. Proposer
????????Proposer是交易池的維護(hù)者。負(fù)責(zé)為proposal（collation
header）做準(zhǔn)備而收集交易，并負(fù)責(zé)廣播collation body。任何人都可以成為proposer。
B. Collator
????????Collator是由為隨機函數(shù)選出的合法collator，其身份的合法性只在指定時間段和指定分片內(nèi)有效。它的主要作用就是collates the proposal以建立collation。Collator從所有分片的collator pool中選出。
C. Executor
????????Executor執(zhí)行狀態(tài)交易函數(shù)。其實proposer也應(yīng)該是executor，都是擁有獲取交易所花費gas和選擇高手續(xù)費的交易等能力的身份。
?
2) 交易的執(zhí)行流程
? ? ? ? 以太坊主鏈每個時間段新生成的區(qū)塊，都會將在此時間點之前的五個區(qū)塊打包在內(nèi)。這也被成為“LookAhead”。每個validator都會借由LookAhead來確認(rèn)在未來他們將負(fù)責(zé)驗證的是哪個分片。也就是驗證者是先得知會被劃分到哪個分片的。在指定時間段內(nèi)，每個區(qū)塊的驗證者都會面臨新一輪的隨機選擇（共5個區(qū)塊，共五個validator）。當(dāng)?shù)竭_(dá)主鏈出塊時間，所有validator都會將已校驗的交易發(fā)送到交易池中。檢驗發(fā)起者需要向交驗者支付激勵。交驗者下載潛在的分片提案。驗證者驗證數(shù)據(jù)的有效性，并挑選當(dāng)前分片中最新區(qū)塊，然后將collation header提交給主鏈。由礦工負(fù)責(zé)挖礦生成新的主鏈的區(qū)塊。
????????可以簡單地這么認(rèn)為，分片中的交易都會被裝入“校對塊” （collation）。 與側(cè)鏈類似，校對器（collator）只有一小部分會被記錄到主鏈
????????以太坊2.0將以太網(wǎng)絡(luò)分為兩層，上層為現(xiàn)有的以太坊（也叫主鏈），基本保持不變；下層為各個分片，他們相互獨立，擁有不同的賬戶空間。各個分片延生屬于自己的鏈，并將最新區(qū)塊頭發(fā)給主鏈。主鏈?zhǔn)占鱾€分片的區(qū)塊頭，然后生成主鏈區(qū)塊。值得注意的是，在主鏈上只保存各個分片的區(qū)塊頭，具體交易并不在主鏈上保存。
4. Zilliqa[5]
????????Zilliqa通過Pow算法完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的劃分過程：選出1個Boss分片和多個工作分片，每個分片有不低于600個節(jié)點。其設(shè)計思想來源于谷歌提出的Map-reduce編程模型的思想。
????????1) Map：網(wǎng)絡(luò)上的每一筆交易會根據(jù)發(fā)送者的地址被映射到工作分片中，工作分片通過pBFT共識算法在各自的分片當(dāng)中驗證交易，最終形成當(dāng)前工作分片中的子區(qū)塊。
????????2)Reduce（Merge）：工作分片將子區(qū)塊發(fā)送到Boss分片，Boss分片將多個子區(qū)塊進(jìn)行驗證、打包，合并生成最終區(qū)塊，保存在各個節(jié)點當(dāng)中。
????????在Zilliqa的設(shè)計中，每600-800個節(jié)點就會被分配為一個網(wǎng)絡(luò)分片，而由多個分片形成的并行網(wǎng)絡(luò)就是分片網(wǎng)絡(luò)。通過多重簽名協(xié)議讓PBTF共識更高效，理論上在pBTF共識下，只有分片數(shù)量小于50個節(jié)點的時候，它的效率才能達(dá)到最佳。通過多重簽名優(yōu)化和壓縮通信的次數(shù)和數(shù)據(jù)的大小，而從達(dá)到優(yōu)化通信成本的目的。
????????節(jié)點通過pow驗證的方式才準(zhǔn)許其節(jié)點進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，PoW來防止女巫節(jié)點攻擊、確認(rèn)節(jié)點身份并隨機進(jìn)行分片。參與共識協(xié)議的每個礦工都可以獲得對應(yīng)的獎勵。每個節(jié)點依然保持所有歷史記錄，并沒有解決存儲空間的擴展性問題。
5.?QuarkChain
????????QuarkChain由兩層區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)組成，第一層為分片層（可以理解為子鏈層），用于交易記賬；第二層為一條根鏈，用于確認(rèn)分片中的交易。在不影響根鏈的情況下，分片層的分片數(shù)量可以動態(tài)增加，從而來提高系統(tǒng)的整體吞吐量。
????????QuarkChain的分片技術(shù)沒有采取任何的隨機機制來合理分配分片上的節(jié)點，因此安全性方面存在潛在的隱患。跨分片交易過多，或者網(wǎng)絡(luò)中存在大量的跨分片交易，QuarkChain 網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量也會下降。
QuarkChain中跨分片交易的流程分為三步：
????????① 發(fā)送方所屬分片內(nèi)記錄交易信息，分片內(nèi)打包成小塊，10秒一個區(qū)塊
????????② 發(fā)送方所屬分片提交區(qū)塊信息到根鏈，60秒一個區(qū)塊。
????????③ 根鏈確認(rèn)之后接收方分片進(jìn)行同步信息，10秒一個區(qū)塊。
????????QuarkChain上采用了分片和根鏈層的協(xié)同挖礦，協(xié)同挖礦的目標(biāo)是通過激勵機制和難度算法使得算力能均勻的分配到網(wǎng)絡(luò)上。在實際的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)和pow共識機制中，僅靠難度算法和激勵機制并不能完全杜絕礦工聯(lián)合作惡的問題，而QuarkChain在此問題上沒有提供更好的解決方案。
????????QuarkChain提供了一個簡單的賬戶管理系統(tǒng)。用戶只需要一個帳戶即可管理所有分片上的地址。在QuarkChain的設(shè)計中，每個分片中都會存在著一個賬戶的地址，其中一個擁有私鑰的帳戶可以在任何分片上執(zhí)行交易。實質(zhì)上當(dāng)一個用戶在沒有余額的分片上進(jìn)行交易時，首先需要由擁有余額的分片賬戶轉(zhuǎn)到目標(biāo)賬戶，然后用戶才能進(jìn)一步進(jìn)行操作。根本的結(jié)構(gòu)上還是需要對不同分片上的地址進(jìn)行跨分片交易才能做到金額調(diào)動。
