區(qū)塊鏈分片技術(shù)綜述

黃華威，孔 偉，彭肖文，鄭子彬

（1.中山大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，廣州 510000；2.武漢理工大學(xué) 航運學(xué)院，武漢 430000）

0 概述

2016 年，LUU 等［1］提出一種Elastico 算法，其將數(shù)據(jù)庫中擴(kuò)容的分片方式［2-4］與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，自此之后，關(guān)于區(qū)塊鏈分片技術(shù)的研究一直層出不窮，不少學(xué)者從分布式賬本、共識機(jī)制、分片方式等方面針對分片技術(shù)進(jìn)行了大量研究。

區(qū)塊鏈主要包括網(wǎng)絡(luò)分片、交易分片、狀態(tài)分片3 種分片方式，其中，網(wǎng)絡(luò)分片是基礎(chǔ)，狀態(tài)分片是瓶頸。網(wǎng)絡(luò)分片通過一定的組織方式將整個網(wǎng)絡(luò)分成不同分片，各個分片并行處理整個區(qū)塊鏈中的部分交易，各部分交易完全不同，從而同時完成多筆交易驗證。交易分片使得各個網(wǎng)絡(luò)分片對交易具有更強(qiáng)的處理能力，其將客戶端的跨片交易分成若干個相關(guān)的子交易，不同分片的跨片交易可以并行處理。為了降低各個節(jié)點存儲賬本的壓力，狀態(tài)分片將各部分完全不同的賬本分別存儲在各個分片（分片內(nèi)的節(jié)點往往存儲同一版本的賬本），整個分片網(wǎng)絡(luò)組成一個完整的賬本。在現(xiàn)行的技術(shù)條件下，網(wǎng)絡(luò)分片和交易分片都具有比較理想的實現(xiàn)方式，而實現(xiàn)狀態(tài)分片還存在很多技術(shù)問題，狀態(tài)分片制約著分片技術(shù)的發(fā)展。

分片技術(shù)雖然在一定程度上有效解決了區(qū)塊鏈的可擴(kuò)展性問題［5］，但還存在一定的不足需要改進(jìn)：整個分片機(jī)制在運行過程中有大量時間用于處理交易以外的工作，同時，為了防止節(jié)點作惡，不少分片技術(shù)需要大量時間和開銷進(jìn)行分片重配置［6］，如何提升分片機(jī)制運行過程中用于交易處理的有效時間比率是一個需要解決的問題［7］；狀態(tài)分片是分片方式中極難實現(xiàn)的一環(huán)，在狀態(tài)分片情境下，跨片交易的驗證過程變得極為困難，不同的分片節(jié)點存儲的賬本不同，需要通過一定的方式進(jìn)行交易轉(zhuǎn)移或賬本狀態(tài)交流［8］，因此，更加有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)遷移同時減輕各個節(jié)點的負(fù)擔(dān)，也是區(qū)塊鏈分片技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)；分片區(qū)塊鏈的安全性也應(yīng)得到研究人員的關(guān)注，更小規(guī)模的分片意味對雙花攻擊防御能力的下降，安全性更高的片內(nèi)共識協(xié)議也將付出更高的共識代價，大多數(shù)協(xié)議對于安全性的分析集中在拜占庭對手規(guī)模、信息可靠性以及分片隨機(jī)性方面，而對于區(qū)塊鏈系統(tǒng)整體的安全性則考慮不充分，對于傳統(tǒng)區(qū)塊鏈中存在的攻擊方式、分片區(qū)塊鏈中獨有的攻擊方式，以及許多分片區(qū)塊鏈協(xié)議難以抵御網(wǎng)絡(luò)層面的攻擊，這些問題都將成為研究人員關(guān)注的焦點。

本文介紹區(qū)塊鏈分片技術(shù)的研究進(jìn)展，對分片技術(shù)的一般實現(xiàn)步驟進(jìn)行總結(jié)，通過對當(dāng)前技術(shù)的對比剖析歸納分片技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)，同時對該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望，以期為區(qū)塊鏈分片技術(shù)的進(jìn)一步研究提供理論參考。

1 背景介紹

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于中本聰于2008 年提出的比特幣系統(tǒng)［9］，在比特幣的信任模型中，用戶之間的信任源于對整個系統(tǒng)的信任，只要整個系統(tǒng)的安全假設(shè)被滿足，這種信任就可以持續(xù)。為了實現(xiàn)這種信任模型，整個區(qū)塊鏈所有的交易需要各個節(jié)點進(jìn)行驗證和存儲，從而浪費了大量的時間和空間，也導(dǎo)致區(qū)塊鏈系統(tǒng)存在低吞吐、高延遲的瓶頸，出現(xiàn)嚴(yán)重的可擴(kuò)展性問題。區(qū)塊鏈技術(shù)現(xiàn)存的一些突出問題總結(jié)如下：

1）交易吞吐量低。為了確保區(qū)塊鏈的交易不可篡改，比特幣的平均吞吐量為7 筆/s［10］，以太坊［11］的平均吞吐量為30 筆/s，而現(xiàn)行的大型中心化交易處理場所（如Visa）每秒的交易確認(rèn)數(shù)可達(dá)上千［12］。為了處理數(shù)量龐大的用戶交易，提升區(qū)塊鏈的交易吞吐量十分重要。

2）交易延遲高。在比特幣中，為了確保高安全性，各個節(jié)點之間需要頻繁地廣播交互，額外的通信開銷使得比特幣的交易延遲增大，比特幣的出塊速度一般為10 min/塊。因此，在忽略網(wǎng)絡(luò)因素的情況下，通過減少交易過程中的開銷從而降低交易延遲也是區(qū)塊鏈的優(yōu)化目標(biāo)。

3）可擴(kuò)展性低。隨著節(jié)點數(shù)目的增多以及賬本容量的增大，提升區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性以及優(yōu)化賬本存儲方式、提升存儲效率［13］也是亟待解決的問題。

1.2 常見區(qū)塊鏈擴(kuò)容技術(shù)

為了提升區(qū)塊鏈的可拓展性，近年來，研究人員提出了多種區(qū)塊鏈擴(kuò)容方案?？傮w而言，常見的區(qū)塊鏈擴(kuò)容方案分為Layer0、Layer1、Layer2 這3 層技術(shù)［14］。其中：Layer0 層主要針對數(shù)據(jù)傳播方式進(jìn)行改進(jìn)；Layer1 層通過共識協(xié)議、P2P 網(wǎng)絡(luò)［15］、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等鏈上技術(shù)實現(xiàn)區(qū)塊鏈性能提升，其包括分片技術(shù)、Bitcoin-NG、DAG 分布式賬本等；Layer2 層大多為非鏈上技術(shù)，如狀態(tài)通道。

1.2.1 分片技術(shù)

分片技術(shù)能夠克服區(qū)塊鏈所面臨的可拓展性問題，作為一種鏈上擴(kuò)容方式，其能在不犧牲中心化程度的同時提高區(qū)塊鏈的性能，因此，分片技術(shù)逐漸成為區(qū)塊鏈擴(kuò)容的主流方法之一。分片技術(shù)將整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)分成不同分片，由各分片的節(jié)點負(fù)責(zé)處理所在分片的事務(wù)以及存儲分片的狀態(tài)［16］，通過并行驗證事務(wù)，整個區(qū)塊鏈的吞吐量近似線性地提升。同時，隨著節(jié)點數(shù)目的增加，整個網(wǎng)絡(luò)的分片數(shù)量也增多，全網(wǎng)的事務(wù)處理能力進(jìn)一步提高。分片技術(shù)一般分為定義分片配置、片內(nèi)和跨片共識協(xié)議、重配置等階段，從而構(gòu)成一個完整的分片區(qū)塊鏈系統(tǒng)。

1.2.2 狀態(tài)通道

狀態(tài)通道［17］在區(qū)塊鏈主鏈下開展新的狀態(tài)通道供大多數(shù)交易離線使用［18］，其將區(qū)塊鏈作為仲裁平臺。所有需要進(jìn)行交易的網(wǎng)絡(luò)用戶將一定數(shù)量的資金存在鏈上，同時會與另一個用戶開啟狀態(tài)通道，并將這筆資金作為交易的抵押品。狀態(tài)通道間接地提升了系統(tǒng)的交易吞吐量，其最大的優(yōu)勢是交易幾乎可以在一瞬間完成，其中的交易不會阻塞主鏈，但是額外創(chuàng)建狀態(tài)通道并不會提高區(qū)塊鏈的可擴(kuò)展性。同時，狀態(tài)通道容易受到DoS 攻擊［19］。由于狀態(tài)通道是在Layer2 層進(jìn)行的擴(kuò)容技術(shù)，因此其與Layer1層的分片技術(shù)可以同時使用［20］。

1.2.3 Bitcoin-NG

Bitcoin-NG［21］將原先比特幣驗證和出塊的機(jī)制進(jìn)行分離，能夠在一定時間內(nèi)創(chuàng)建更多的塊，從而提升整個區(qū)塊鏈的交易處理能力。在記賬人選取階段，Bitcoin-NG 仍然采用原先的PoW 算法［22］，由全網(wǎng)競爭記賬權(quán)，在交易記賬階段由記賬人進(jìn)行交易打包和全網(wǎng)廣播。但是，Bitcoin-NG 對去中心化要求做了一定折中，記賬人在進(jìn)行交易打包和全網(wǎng)廣播時所實施的不良行為，會使得整個系統(tǒng)面臨一定風(fēng)險［23］。

1.2.4 DAG 分布式賬本

DAG 分布式賬本［24］主要對區(qū)塊鏈狀態(tài)存儲進(jìn)行改進(jìn)，每個交易單元或包含交易的區(qū)塊單元能夠同時被多個新加入的節(jié)點引用，多個節(jié)點可以同時向賬本中新增交易或區(qū)塊單元，因此，DAG 分布式賬本可以支持各種實際場景下的高并發(fā)需求，具有更好的可擴(kuò)展性。與DAG 分布式賬本相比，分片技術(shù)更加傾向于改進(jìn)交易的驗證方式，因此，兩者可以結(jié)合使用。

1.3 許可區(qū)塊鏈和無許可區(qū)塊鏈中的分片技術(shù)

許可區(qū)塊鏈（Permissioned Blockchain）［25］由具有一定程度信任并已知、已識別的參與者操作，采用更加傳統(tǒng)的共識協(xié)議，這種協(xié)議不需要成本高昂的挖掘過程，同時在對手規(guī)模和容錯率的設(shè)定上也更加靈活。許可區(qū)塊鏈在進(jìn)行分片［26］后，通常不需要重新配置（Reconfiguration）環(huán)節(jié)，分片中的記賬權(quán)往往在少數(shù)確定的節(jié)點中，因此，節(jié)點的安全性較高［27］。在AHL［28］中，采用TEE［29］的硬件來保證可信的執(zhí)行環(huán)境，在此基礎(chǔ)上，提出應(yīng)用于許可區(qū)塊鏈的協(xié)議，該協(xié)議可以靈活地根據(jù)拜占庭節(jié)點和非拜占庭節(jié)點進(jìn)行調(diào)控，從而滿足一定的安全性要求。Sharper［30］同樣也是應(yīng)用于許可區(qū)塊鏈的協(xié)議，其采用分片結(jié)合DAG 分布式賬本的結(jié)構(gòu)，每個分片保存一份賬本，在許可區(qū)塊鏈中不需要挖礦環(huán)節(jié)，因此，每筆交易可作為一個塊，片內(nèi)事務(wù)由片內(nèi)單獨成塊上鏈，跨片交易由相關(guān)分片共同維護(hù)。

無許可區(qū)塊鏈（Permissionless Blockchain）由于信任度較低（甚至不存在任何信任），因此通常采用挖礦機(jī)制，通過PoW 來驗證交易。具有代表性的無許可區(qū)塊鏈協(xié)議包括Elastico、OmniLedger［31］、RapidChain［32］等，在這類協(xié)議中，節(jié)點加入分片需要通過解決PoW 問題來驗證身份，交易在驗證后也需要一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行打包。Monoxide［33］是無許可區(qū)塊鏈中較前沿的技術(shù)，研究人員認(rèn)為該技術(shù)同時滿足了安全、性能、去中心化3 個需求［34］，連弩挖礦（Chu-ko-nu Mining）能夠在一段時間內(nèi)出多個塊，同時通過多個其他分片來對多個塊進(jìn)行驗證，即使全網(wǎng)都進(jìn)行了分片，惡意節(jié)點仍然需要與全網(wǎng)算力進(jìn)行對抗，從而保證了Monoxide 的安全性和去中心化。

2 分片技術(shù)的關(guān)鍵理論與方法概述

隨著數(shù)據(jù)庫的逐漸擴(kuò)容，為了簡化各個節(jié)點的存儲空間，數(shù)據(jù)庫開始采用分片技術(shù)來提高數(shù)據(jù)的存儲效率［35］。區(qū)塊鏈和數(shù)據(jù)庫本身存在一些不同因素，區(qū)塊鏈分片技術(shù)不僅要保持對各分片中存儲賬本的維護(hù)，更要有利于區(qū)塊鏈上動態(tài)交易的驗證。因此，將分片技術(shù)引入到區(qū)塊鏈中，不僅需要將區(qū)塊鏈上的各種屬性（網(wǎng)絡(luò)、交易、狀態(tài)）進(jìn)行分片，同時也要考慮區(qū)塊鏈本身復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲形式［36］。

2.1 分片配置

在區(qū)塊鏈分片技術(shù)中，首先要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分片，網(wǎng)絡(luò)分片通常要考慮分片規(guī)模、分片安全性、分片方式等因素，分片過程通常使用隨機(jī)函數(shù)來實現(xiàn)。

2.1.1 Elastico

Elastico［1］使用epochRandomness 函數(shù)進(jìn)行計算，每個節(jié)點都有自己的IP、PK（公鑰），結(jié)合隨機(jī)數(shù)epochRandomness 計算出滿足下式條件的nonce：

O=H(epochRandomness||IP||PK||nonce)≤2γ-D

其中：D為預(yù)定義的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點解決PoW 問題的工作量大小參數(shù)；γ為預(yù)定義的H 函數(shù)的輸出位數(shù)。

每個節(jié)點根據(jù)自己的O值確定分片位置，分片中的各個節(jié)點為了確認(rèn)彼此，需要進(jìn)行廣播。

2.1.2 RapidChain

RapidChain［32］的分片配置只進(jìn)行一次（即原文中的Bootstrap 環(huán)節(jié)），之后不斷地進(jìn)行共識和重配置。在分片配置環(huán)節(jié)，整個網(wǎng)絡(luò)持續(xù)地從低一層的節(jié)點中構(gòu)造sampler graph 以形成一個隨機(jī)二分圖［37］，在所有節(jié)點完成計算后，將每個group 內(nèi)哈希值最小的節(jié)點選為subgroup 成員，再由subgroup 中的成員隨機(jī)組合成更高一層的group，被選中節(jié)點發(fā)送消息告知全部節(jié)點，重復(fù)上述過程直到選出root group。root group 負(fù)責(zé)選擇參考委員會（Reference Committee）成員，參考委員會完成所有節(jié)點的隨機(jī)劃分分片。

通過以上2 種分配方式可以看出，在協(xié)議的開始階段對節(jié)點進(jìn)行分片的過程，需要各個節(jié)點進(jìn)行自身分片位置計算以及在同一分片節(jié)點之間進(jìn)行廣播，最終完成分片內(nèi)節(jié)點信息的交流。分片函數(shù)的設(shè)計往往以節(jié)點身份（IP、PK、Hash）［38］作為參數(shù)。

2.2 分片重配置

為了保證各個分片的安全性并防止節(jié)點之間作惡行為發(fā)生，在一個分片紀(jì)元之后，從原有分片中取出一部分節(jié)點并與其他分片中的節(jié)點進(jìn)行交換，當(dāng)有新節(jié)點加入時，需要對新加入節(jié)點進(jìn)行分配。上述過程通常稱為分片重配置（Reconfiguration）［31］，分片重配置的方式分為全隨機(jī)分片和部分隨機(jī)分片2 種。

2.2.1 二次全隨機(jī)分片

對所有節(jié)點進(jìn)行重新分配，既能徹底防止節(jié)點之間進(jìn)行作惡［39］，同時也能將新節(jié)點加入分片中。新加入的節(jié)點需要解決PoW 問題，在解決PoW 問題后，節(jié)點會得到一個相對應(yīng)的值（即上文epochRandomness函數(shù)中的O），供分片時計算分片位置使用。如果節(jié)點錯過當(dāng)前紀(jì)元的分片環(huán)節(jié)，則等待下一個紀(jì)元再確定分片位置。解決PoW 問題提高了節(jié)點加入分片的成本，但可以有效防止女巫攻擊（Sybil Attack）［40］。

Elastico 在每個分片紀(jì)元結(jié)束后使用Randomness函數(shù)對整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點進(jìn)行重新配置。在每輪的最后，由最終委員會（Final Committee）計算出Randomness 以供下一輪隨機(jī)分片使用，隨機(jī)數(shù)被廣播至全網(wǎng)，整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通過隨機(jī)數(shù)重新計算自己所在的分片位置。

雖然二次全隨機(jī)分片能夠最大程度地保證分片后區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的安全性，但是在重配置的過程中，整個網(wǎng)絡(luò)對于交易的驗證停滯，全網(wǎng)都要在重配置前后進(jìn)行新舊賬本交接，在每次的二次全隨機(jī)分片期間，整個網(wǎng)絡(luò)都要為分片重新進(jìn)行計算和廣播，無論在開銷還是時間上，都大幅降低了整個區(qū)塊鏈的性能。因此，文獻(xiàn)［41］提出MVCom 方案，其對Elastico協(xié)議的分片重配置設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，通過設(shè)計分布式算法［42］，為每一輪若干個區(qū)塊鏈分片選取出最有價值的部分委員會，同時支持處理分片委員會的動態(tài)加入和離開，該機(jī)制可以在分片區(qū)塊鏈的交易吞吐量與分片內(nèi)交易等待時延之間找到一種平衡。

2.2.2 部分重分配

在保證整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的前提下，將部分分片節(jié)點隨機(jī)進(jìn)行重分配，既能保證區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性，又可以降低開銷，減少重配置過程的等待時間。

研究人員在RapidChain 中設(shè)計有限布谷鳥原則（Bounded Cuckoo rule）［43］，在每個epoch 中都通過參考委員會將其他委員會分為2 類，分別是活躍成員占大多數(shù)的活躍委員會和不活躍成員占大多數(shù)的消極委員會。當(dāng)有新節(jié)點加入時，參考委員會會將新節(jié)點隨機(jī)加到某個活躍委員會中，并把該委員會中的固定數(shù)量節(jié)點隨機(jī)加入到不同的消極委員會中，既實現(xiàn)了對新節(jié)點的分片處理，又調(diào)控了消極委員會和積極委員會之間的活躍節(jié)點數(shù)量，間接提高了整個區(qū)塊鏈的分片活躍度。

在進(jìn)行重配置的過程中，除了需要進(jìn)行遷移的節(jié)點外，分片內(nèi)的其他節(jié)點仍然正常進(jìn)行交易驗證，從而大幅降低了重配置過程對區(qū)塊鏈性能的影響。

2.2.3 自由選擇重分配

SSChain［44］在分片重配置上充分考慮用戶需求，當(dāng)有新節(jié)點加入時，新節(jié)點可以根據(jù)增益函數(shù)GPH（BR=BlockReward，HP=HashPower，BI=BlockInterval）選擇目前收益最高的分片加入，而在當(dāng)前分片的收益較低時可以退出并加入到收益高的其他分片。GPH 函數(shù)綜合考量分片出塊收益、出塊間隔以及當(dāng)前哈希算力，而哈希算力的分配又綜合了對主鏈算力和分片算力的分配，既體現(xiàn)了對鏈安全性的考慮（即對于算力的宏觀分配），又充分考慮到用戶的個人意愿。CPH 函數(shù)計算如下：

相較前2 種重分配方式，自由選擇重配置方案能夠通過人為操作使得整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)達(dá)到收益最大化的動態(tài)平衡，但是其對于惡意行為的抵御能力低于區(qū)塊鏈系統(tǒng)調(diào)控下的重配置方案。

2.3 片內(nèi)共識協(xié)議

在完成分片配置后，區(qū)塊鏈需要進(jìn)行交易共識，共識分為片內(nèi)共識和跨片共識。片內(nèi)共識要求同一分片內(nèi)各個節(jié)點按照所在分片的協(xié)議進(jìn)行共識和廣播，最終得出整個分片的共識結(jié)果，片內(nèi)共識協(xié)議主要分為基于PoW的片內(nèi)共識協(xié)議和基于BFT的片內(nèi)共識協(xié)議。

2.3.1 基于PoW 的片內(nèi)共識協(xié)議

雖然PoW 共識龐大而復(fù)雜的計算過程消耗了大量算力，但是其結(jié)合一定節(jié)點特征的數(shù)字運算優(yōu)勢在部分場景中受到人們的青睞?；赑oW 的片內(nèi)共識協(xié)議通常在計算過程中以節(jié)點身份或所在分片編號為參數(shù)進(jìn)行運算，節(jié)點身份標(biāo)號或所在分片標(biāo)號具有唯一性，因此，它們可以作為打包塊的標(biāo)識符。

SSChain 和Monoxide 均采用PoW 作為片內(nèi)共識協(xié)議。在Monoxide 中，分片在解決一個PoW 問題的時間內(nèi)出不多于剩余其他分片數(shù)量的塊，然后將多個塊交由其他分片進(jìn)行驗證并再次出塊，通過2 層共識結(jié)構(gòu)確保交易的合理性。如圖1 所示，Monoxide 采用連弩挖礦（Chu-ko-nu Mining），將每個共識組的防御能力提升到51%，每次出塊時Hash 函數(shù)覆蓋多個剛要出塊的塊頭進(jìn)行計算，同時這些塊頭共用一個nonce，編號b的當(dāng)前共識組將這m個塊頭按序排列，構(gòu)造Merkle樹［45］，然后通過哈希計算覆蓋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在出塊時，相關(guān)信息會被廣播到特定的共識組i（b≤i

圖1 Monoxide 的出塊方式Fig.1 Block generation mode of Monoxide

2.3.2 基于BFT 的片內(nèi)共識協(xié)議

很多協(xié)議的片內(nèi)共識常會選擇使用BFT 類型的算法［46］，如Elastico 采用拜占庭共識協(xié)議，OmniLedger 采用基于ByzCoin［47］的改進(jìn)ByzCoinX，RapidChain 采用gossip［48］，Sharper 采用PBFT［49］?；贐FT 的共識協(xié)議通過分片內(nèi)多個節(jié)點驗證共識來保證交易的安全性和有效性。

Zilliqa［50］在各個分片內(nèi)以較高頻率運行PBFT 共識，PBFT 共識具有最終交易性、能耗低等優(yōu)點。傳統(tǒng)PBFT 共識中的主要環(huán)節(jié)包括pre-prepare、prepare、commit 這3 個階段，prepare 與commit 這2 個階段的通信復(fù)雜度為O（n2）。Zilliqa 采用兩輪的EC-SChnorr 多重簽名［51］來代替?zhèn)鹘y(tǒng)PBFT 共識中的prepare 和commit階段，從而將PBFT 共識的通信復(fù)雜度降為O（n），其共識流程如圖2 所示。

圖2 Zilliqa 片內(nèi)共識流程Fig.2 Zilliqa intra chip consensus procedure

2.4 跨片共識協(xié)議

在片內(nèi)共識時，片內(nèi)各個節(jié)點經(jīng)過彼此間的廣播可直接進(jìn)行交流。在跨片共識時，由于所存儲的信息不相交，不同分片之間各個節(jié)點在交易驗證過程中需要交流賬本狀態(tài)，因此跨片交流的基本單位是各個分片，不同分片執(zhí)行共同的跨片協(xié)議以實現(xiàn)共識?？缙沧R的主要方式包括交易原子化、交易集中化和采用類路由協(xié)議。

2.4.1 交易原子化

交易原子化是一種跨片交易處理方式，將原交易分解成最小的子交易，在不同分片之間傳遞子交易。子交易一般為對某個分片的輸入交易或?qū)δ硞€分片的輸出交易。通過交易原子化處理，一筆跨分片交易可以視作若干筆客戶端參與下的片內(nèi)交易。

OmniLedger 提出Atomix 協(xié)議對跨片交易進(jìn)行處理，當(dāng)客戶端發(fā)起一筆跨片交易時，分解后的子交易經(jīng)過不同的分片進(jìn)行驗證，當(dāng)?shù)玫浇灰捉邮芡ㄖ獣r，客戶端再發(fā)起一筆附上接受憑證的資金解鎖請求到需要輸出交易的分片，從而完成交易；如果有交易在分片中驗證失敗，則客戶端向其他驗證成功的分片發(fā)送丟棄交易請求并將鎖住的資金退還。OmniLedger 的做法雖然在理論上可以實現(xiàn)由不同分片驗證交易和不同分片輸出交易的目標(biāo)，但是當(dāng)客戶端不發(fā)送資金解鎖請求或交易廢棄請求時，就會存在資金鎖住的情況，當(dāng)有惡意節(jié)點進(jìn)行大量低額度的交易提交時，也會在各分片間造成極大壓力［52］。

2.4.2 交易集中化

交易集中化是指將跨片交易集中到指定鏈上或指定節(jié)點進(jìn)行統(tǒng)一處理，指定鏈上或節(jié)點上存儲了跨片交易所需的全部賬本數(shù)據(jù)，既能對跨片交易進(jìn)行驗證，又能降低跨片交易傳播的難度。

在Ethereum 2.0［53］的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，信標(biāo)鏈（Beacon Chain）作為該架構(gòu)的核心，負(fù)責(zé)連接主鏈以及管理各個分片。信標(biāo)鏈?zhǔn)荅thereum 原鏈的一條側(cè)鏈，運行Casper FFG 共識。信標(biāo)鏈可以驗證Ethereum 2.0中的跨分片交易是否發(fā)生雙花，并且給各個分片提供最終確定性。當(dāng)系統(tǒng)中跨分片交易數(shù)量過多時，信標(biāo)鏈本身的局限性可能會成為跨分片交易的性能瓶頸。當(dāng)前Ethereum 2.0 仍未到達(dá)部署分片的階段，因此，信標(biāo)鏈結(jié)合分片鏈來處理跨片交易的方式存在廣闊的發(fā)展空間。

2.4.3 交易類路由協(xié)議

RapidChain 提出的委員會間路由協(xié)議（Intercommittee Routing Protocol）以及Sharper、AHL，都考慮到將跨片交易直接在不同分片之間進(jìn)行路由處理的相似設(shè)計，本文將此類跨片協(xié)議稱為“類路由協(xié)議”。類路由協(xié)議指將交易在不同分片之間進(jìn)行路由傳播，而非直接對交易進(jìn)行分解。

RapidChain 對需要進(jìn)行跨片處理的交易，由分片中的任意節(jié)點根據(jù)路由表進(jìn)行路由，路由表中存儲logan個最近委員會中l(wèi)ogalogan的節(jié)點數(shù)據(jù)［54］，路由通道只要建立后就可以多次使用，例如，需要將交易從分片A路由到分片C，而A到B、B到C之間存在通道，則可以通過A→B→C的路由通道將交易a路由成分片C的交易a′，從而將跨片交易轉(zhuǎn)化為片內(nèi)交易。

2.5 狀態(tài)存儲

狀態(tài)分片將整個網(wǎng)絡(luò)的賬本狀態(tài)分片存儲，各個分片維護(hù)一部分賬本數(shù)據(jù)，能夠有效減少區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的存儲負(fù)擔(dān)。然而，各個分片的數(shù)據(jù)不相交不僅會導(dǎo)致跨片交易的驗證極為困難，節(jié)點在不同分片之間進(jìn)行重配置時需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交接，也會降低賬本數(shù)據(jù)的安全性。因此，有研究人員提出對賬本存儲進(jìn)行部分分片的方案，相較比特幣設(shè)計，該方案能降低數(shù)據(jù)冗余，較好地處理跨分片交易，具有更高的靈活性和實用性。

2.5.1 全分片存儲

在全分片存儲模型中，整個區(qū)塊鏈賬本被分成若干份互不相交的賬本存儲在分片節(jié)點中，各個分片維護(hù)自己的賬本，整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的各個分片合起來擁有完整的賬本。

OmniLedger 是典型的全分片協(xié)作式賬本，各個分片存儲完全不同的數(shù)據(jù)，這樣就將交易驗證過程中數(shù)據(jù)的交流交給跨片共識協(xié)議完成，同時在重配置過程中節(jié)點也需要對不同分片間的數(shù)據(jù)進(jìn)行交接。當(dāng)選擇在每一個epoch 后進(jìn)行分片內(nèi)節(jié)點更新的方案時，必然會有新加入分片的節(jié)點，而節(jié)點的賬本更新會造成數(shù)據(jù)遷移。有些協(xié)議通過設(shè)置state block 的方式來簡化數(shù)據(jù)遷移過程，當(dāng)每一個epoch結(jié)束后，設(shè)置一個state block 對之前的塊進(jìn)行總結(jié)并且由整個分片進(jìn)行驗算以確認(rèn)該塊正確無誤，新加入節(jié)點可以從state block 開始直接對新交易進(jìn)行驗證。

狀態(tài)分片中賬戶狀態(tài)劃分策略不合理將導(dǎo)致各個分片的交易負(fù)載不均衡以及跨分片交易比例過高的問題，為此，BrokerChain［55］提出一種新的分片架構(gòu)，以實現(xiàn)對分片狀態(tài)的動態(tài)劃分和調(diào)整。該分片協(xié)議根據(jù)一定時間內(nèi)的歷史交易信息構(gòu)建一個賬戶交易狀態(tài)圖，并對其進(jìn)行劃分［56］，從而對存儲在各分片的賬戶狀態(tài)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整與重新配置。賬戶狀態(tài)動態(tài)調(diào)整策略可以在減少跨分片交易比例的同時實現(xiàn)分片間的負(fù)載均衡。

考慮到基于分片機(jī)制的區(qū)塊鏈可能存在交易分片不均衡［57］的情況，為此，文獻(xiàn)［58］研究分片聯(lián)盟鏈的云端資源分配對區(qū)塊鏈吞吐量的影響，其基于隨機(jī)優(yōu)化理論框架，設(shè)計針對分片聯(lián)盟鏈的資源分配算法，該算法可在一定程度上緩解區(qū)塊鏈交易分布不均衡的問題。

2.5.2 半分片存儲

Sharper 是許可區(qū)塊鏈下的分片協(xié)議，其將整個賬本存儲成DAG 分布式賬本，當(dāng)存在跨片交易時，由不同分片共同創(chuàng)建狀態(tài)賬本并存儲，因此，同一份跨片交易在不同的分片中都需要進(jìn)行存儲，跨片交易在所有參與的相關(guān)分片中都存在數(shù)據(jù)冗余。

洪梓聰?shù)龋?9］提出一種層級分片的區(qū)塊鏈系統(tǒng)Pyramid，該系統(tǒng)允許某些分片（稱為橋接分片）存儲多個其他分片的區(qū)塊，充當(dāng)分片間橋梁的作用，橋接分片可以對跨片交易直接驗證并進(jìn)行CoSi［60］共識，將其打包為包含跨片賬本數(shù)據(jù)的跨分片區(qū)塊，從而提升區(qū)塊鏈系統(tǒng)的事務(wù)吞吐量，降低事務(wù)確認(rèn)延遲。BrokerChain［55］基于動態(tài)狀態(tài)劃分策略提出一種新的跨分片協(xié)議，以提高跨分片交易處理的效率，在進(jìn)行狀態(tài)劃分的過程中，系統(tǒng)允許一部分普通用戶通過自愿抵押一定資產(chǎn)來充當(dāng)“中間人賬戶”，中間人賬戶的狀態(tài)會被系統(tǒng)分割成2 個或多個部分，分別存儲在2 個或多個分片中，從而參與到若干個跨分片交易的協(xié)調(diào)中，該文提出的跨分片協(xié)議可以減少跨片交易延遲，提高跨片交易執(zhí)行效率。

3 分片技術(shù)的現(xiàn)有方案分析

3.1 現(xiàn)有方案對比

近年來，分片技術(shù)不斷更新迭代，在吞吐量、時延、共識協(xié)議的方式等方面都得到優(yōu)化，提升了分片技術(shù)的魯棒性和可實踐性。從表1 可以看出：無許可區(qū)塊鏈仍然是分片技術(shù)的主流方式，以比特幣為基礎(chǔ)的分片技術(shù)更加成熟；許可區(qū)塊鏈的應(yīng)用場景較少，但是近年來相關(guān)的分片技術(shù)仍然有所發(fā)展［61］，許可區(qū)塊鏈將節(jié)點可信度交付給TEE 硬件［62］實現(xiàn)，可以給予系統(tǒng)更優(yōu)的拜占庭容錯率以及更加靈活的分片和共識方式。

表1 區(qū)塊鏈分片技術(shù)歸納Table 1 Summary of blockchain sharding technology

在表1 中，各符號含義如下：

x：區(qū)塊鏈規(guī)模大?。?/p>

n：節(jié)點數(shù)；

k：分片數(shù)；

c：常數(shù)（c

［a］：100 個節(jié)點/分片，共16 個分片；

［b］：72 個節(jié)點/分片（惡意節(jié)點占12.5%），共25 個分片；

［c］：250 個節(jié)點/分片，共4 000 個節(jié)點；

［d］：36個分片（惡意節(jié)點占12.5%），共972個節(jié)點；

［e］：36 個節(jié)點/分片，共2 048 個分片；

［f］：4 個節(jié)點/分片，共5 個分片；

［g］：分片鏈包含900 個節(jié)點和60 個分片，根鏈上包含900 個節(jié)點（惡意節(jié)點占25%）。

不同協(xié)議片內(nèi)交易和跨片交易設(shè)計都有各自的特點，但也呈現(xiàn)出一定的共性：片內(nèi)共識協(xié)議以基于BFT的協(xié)議為主，跨片共識協(xié)議以交易可靠性為目的。

基于BFT 的片內(nèi)共識協(xié)議具有交易最終性和低能耗的優(yōu)點，但是在安全性方面弱于基于PoW 的片內(nèi)共識協(xié)議，因此，部分分片技術(shù)將兩者相結(jié)合，在若干輪BFT 類協(xié)議后加入PoW 協(xié)議以提升分片的安全性?？缙沧R協(xié)議則以交易可靠性為主要目的，對于跨片交易中的交易代價則關(guān)注較少。對于跨片交易的處理，雖然已經(jīng)有一定的實現(xiàn)方案，但是在跨片交易的模型實驗中對于復(fù)雜交易和交易數(shù)量的控制則顯得模糊，部分交易只在較簡單輸入和輸出分片的跨片模型下性能較好，有些往往需要將交易分解為若干筆子交易才能完成跨片交易。因此，無論是提升片內(nèi)共識交易的效率還是優(yōu)化跨片交易的過程，都是分片技術(shù)有待提高的方面。

為了防止女巫攻擊［63］，Elastico 和RapidChain 采用通過新節(jié)點解決PoW 問題的準(zhǔn)入性方案，一些許可區(qū)塊鏈因為將節(jié)點的安全性托付給TEE 硬件［64］實現(xiàn)，所以未聲明新節(jié)點的準(zhǔn)入方式，而其他一些無許可區(qū)塊鏈對于新節(jié)點加入的協(xié)議闡述則顯得太過簡單。

大多數(shù)分片技術(shù)在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分片和交易分片的設(shè)計上已經(jīng)初具規(guī)模，而在狀態(tài)分片上則顯得比較困難。傳統(tǒng)的全存儲分片技術(shù)一致地將區(qū)塊鏈賬本平均分配在各個分片中，近年來出現(xiàn)的部分存儲分片技術(shù)考慮到跨片交易中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)遷移問題，靈活地將部分賬本狀態(tài)存儲或存儲在橋接分片中進(jìn)行處理，或?qū)^(qū)塊鏈分片賬本進(jìn)行動態(tài)合并分離［65］，從而提高了區(qū)塊鏈分片賬本的利用率。

此外，從表1 也可以明顯看出，近年來分片技術(shù)的吞吐量取得大幅提升。不同技術(shù)在驗證時所使用的實驗設(shè)備和方式不盡相同，將吞吐量、時延等數(shù)據(jù)作為協(xié)議性能衡量指標(biāo)具有可行性，但是不能一味地為了實現(xiàn)高吞吐量、低時延等目標(biāo)而忽略了分片技術(shù)的完整性、安全性和簡潔性。

3.2 分片技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

3.2.1 分片內(nèi)挑戰(zhàn)

在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，誠實節(jié)點與惡意節(jié)點的比例要控制在一定范圍內(nèi)，以保證整個網(wǎng)絡(luò)的安全性。在比特幣中，只有當(dāng)誠實節(jié)點的比例占到51%以上，整個區(qū)塊鏈才能抵御雙花攻擊［66］。在分片區(qū)塊鏈中，將誠實節(jié)點分布到不同的區(qū)塊鏈分片中，雖然系統(tǒng)總體的誠實節(jié)點數(shù)不變，但是各個分片內(nèi)誠實節(jié)點的實際數(shù)量減少，相比針對整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊，攻擊者對于單分片攻擊的規(guī)模更小，攻擊成本也更低。

BFT 類片內(nèi)共識協(xié)議雖然比PoW 類共識協(xié)議的能耗更低，但在信息交流的過程中表現(xiàn)出效率低下的問題并對信息過度確認(rèn)，因此，可以通過優(yōu)化BFT算法來適當(dāng)簡化信息交流與確認(rèn)過程中對信息的重復(fù)使用［67］，或者運用一定的數(shù)學(xué)方法作為對BFT 協(xié)議的簡化［68］，從而在一定程度上提升協(xié)議效率。

3.2.2 分片間挑戰(zhàn)

在分片區(qū)塊鏈中，跨片交易的處理可能涉及若干個分片，當(dāng)攻擊者通過較小的攻擊成本實現(xiàn)對單個分片的攻擊時，所有和該分片相關(guān)的跨片交易也會受到影響。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，跨片交易的比例很高，因此，跨片交易的可靠性和效率對區(qū)塊鏈系統(tǒng)吞吐量的影響較大。

雖然部分跨片協(xié)議有處理跨片交易的能力，但是還是需要客戶端參與才能保證跨片交易的有效進(jìn)行，未充分優(yōu)化的跨片共識協(xié)議增加了客戶端的壓力。分片技術(shù)對輕客戶端的支持也十分重要，既要保證在客戶端做到狀態(tài)分片，最小化客戶端存儲的賬本狀態(tài)，又要盡可能減少客戶端在跨片交易驗證過程中的操作步驟。

由于節(jié)點的存儲空間有限，重配置過程中的節(jié)點遷移需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)上傳和更新，在節(jié)點存儲空間無限的假設(shè)下，節(jié)點可以任意存儲足夠多的賬本數(shù)據(jù)，不需要在遷移過程中進(jìn)行賬本數(shù)據(jù)更新，節(jié)點基本可以持續(xù)運作。對于分片區(qū)塊鏈而言，制約區(qū)塊鏈性能的最主要因素是存儲容量。在當(dāng)前的節(jié)點遷移方案中，設(shè)置checkpoint 是一個較優(yōu)的方式，即在很大一個epoch 后將過往的若干個塊化簡為一個塊，將各個節(jié)點的賬本大小控制在2 GB 左右。但是，如何提高節(jié)點重配置階段遷移數(shù)據(jù)的利用率仍然需要深入探究。

3.2.3 系統(tǒng)層級挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈分片規(guī)模影響到很多方面，包括分片安全性、共識協(xié)議效率、吞吐量等。但是，現(xiàn)行的分片大小往往受制于協(xié)議的安全性保證，如Zilliqa 只有在600 個節(jié)點以上才能保證安全，而對于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)吞吐量和其他因素則難以全面考慮。同時，分片的重配置調(diào)節(jié)也是一個值得關(guān)注的內(nèi)容，智能化和動態(tài)化的重配置階段需要考慮到分片活躍度、分片容錯率、新加入節(jié)點數(shù)量等因素，而目前的重配置方案仍然是以更加保證安全性的靜態(tài)場景為出發(fā)點，對其他因素的考慮不足。

大多數(shù)協(xié)議對于安全性的分析通常集中于拜占庭對手規(guī)模、信息可靠性以及分片隨機(jī)性方面，而在整個安全規(guī)模上（包括Layer1 和Layer2）的考慮則顯得有些薄弱。對于當(dāng)前區(qū)塊鏈中的各種攻擊方式，如何在新的分片區(qū)塊鏈設(shè)計過程中考慮這些防御攻擊，從而更加完善地分析所關(guān)注區(qū)塊鏈的安全性，都是今后的研究方向。本文在對各個協(xié)議進(jìn)行匯總分析的過程中，發(fā)現(xiàn)只有OmniLedger 利用ByzCoinX來應(yīng)對DoS 攻擊［69］，對于其他協(xié)議是否能夠抵抗Layer1 層的攻擊以及在Layer2 層還有哪些共識性問題，都需要建立一個安全性證明框架。

3.3 分片技術(shù)未來展望

本文認(rèn)為區(qū)塊鏈分片技術(shù)在未來需要在以下方面繼續(xù)進(jìn)行研究：

1）提出更加高效的共識協(xié)議，這類協(xié)議將優(yōu)化現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的分片方式，從交易分片、狀態(tài)分片角度提出更好的實現(xiàn)方法，使分片技術(shù)提升到區(qū)塊鏈擴(kuò)容技術(shù)的新高度。

2）將區(qū)塊鏈分片技術(shù)與其他擴(kuò)容技術(shù)融合創(chuàng)新。分片技術(shù)與其他技術(shù)在應(yīng)用層面并不矛盾甚至可以優(yōu)勢互補(bǔ)，將分片技術(shù)與其他擴(kuò)容技術(shù)相結(jié)合，既有利于發(fā)揮其他擴(kuò)容技術(shù)的優(yōu)勢，又能夠拓展分片技術(shù)的應(yīng)用空間。

3）提出標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)塊鏈分片技術(shù)協(xié)議。隨著分片技術(shù)的逐步完善，更標(biāo)準(zhǔn)的分片技術(shù)安全性協(xié)議也會更完善，安全可靠同時具有高性能的分片技術(shù)協(xié)議將成為分片技術(shù)應(yīng)用于區(qū)塊鏈擴(kuò)容任務(wù)的重要基石，近年來，一些學(xué)者也正致力于這個方向的研究［70］。

4）開發(fā)區(qū)塊鏈分片技術(shù)的模擬平臺。在分片區(qū)塊鏈設(shè)計的過程中，現(xiàn)行的開源區(qū)塊鏈只適用于當(dāng)前所關(guān)注的研究分支。未來可以設(shè)計一套完備的區(qū)塊鏈分片流程，從分片規(guī)模、節(jié)點行為、交易設(shè)定、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等方面對分片區(qū)塊鏈進(jìn)行模擬驗證，便于區(qū)塊鏈分片技術(shù)的研究開發(fā)人員關(guān)注分片區(qū)塊鏈中的不同模塊，進(jìn)一步促進(jìn)區(qū)塊鏈分片技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié)束語

近年來，區(qū)塊鏈分片技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注，為解決傳統(tǒng)區(qū)塊鏈在可擴(kuò)展性上存在瓶頸的問題，許多研究人員提出了不同的分片技術(shù)協(xié)議。本文介紹分片技術(shù)中的一些經(jīng)典方法和理論，對這些協(xié)議進(jìn)行對比分析，總結(jié)當(dāng)前分片技術(shù)面臨的困境和挑戰(zhàn)。隨著區(qū)塊鏈分片技術(shù)的發(fā)展，未來將會出現(xiàn)更加高效的共識協(xié)議、更加完善的擴(kuò)容技術(shù)、更加標(biāo)準(zhǔn)的安全性協(xié)議以及更好的分片區(qū)塊鏈模擬平臺，這些成果都將進(jìn)一步改善基于分片機(jī)制的區(qū)塊鏈技術(shù)生態(tài)。