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名词解析 | 什么是分片?

以太坊就是采用了分片技术来提高区块链系统的可扩展性。

扩容问题一直是区块链里争议性较大的一个话题。提升区块大小还是分叉?比特币就曾面临过这样的问题,在最艰难抉择的时刻,“隔离见证+闪电网络”让比特币有了喘息之机。但随着用户增多,交易量增加,还是逃不过直面存在的问题。
同样面对扩容争议,以太坊则选择了不一样的方式,采用分片从侧面提高区块链系统的可扩展性。
那么什么是分片呢?
分片在传统意义上是数据库分区的一种,它将大型数据库分成更小、更快、更容易管理的部分,这些部分叫做数据碎片。碎片这个词意思就是整体的一小部分。区块链分片技术就是基于数据库分片概念的一种扩容技术。
基本思想是将网络中的节点分成不同的碎片,各分片可以并行处理不同交易,这样可以并行处理相互之间未建立连接的交易,以提高网络并发量。它的特点是随着节点数目的增加,网络吞吐量也随之增加。
核心难点在于数据分片的关键特征值确定,以及元数据在片区之间通信的延迟造成的不一致性问题,频繁的跨碎片之间的通信会使得区块链网络性能大大降低。由于每个片区里的数据是分开更新的,在设计应用逻辑时必须确保信息的成功更新,同时也需要预留出一定的鲁棒性来应对一个达成最终一致性过程中可能出现的不一致性。
在区块链中的分片根据对象分为交易分片、网络分片和状态分片,其中值得注意的是,在区块链中采用网络分片技术,也就是将矿工分成几个子网络分别负责验证该碎片上的交易,需要保证恶意节点的数目足够小,也因此在分配矿工的规则上需要注意保证随机性。
在区块链中应用分片技术,还需要考虑的问题是对各种攻击如女巫攻击,DDOS攻击、双花攻击的防御,需要在权衡效率的同时,保证每个分片内的总节点数目足够多,并且诚实的节点占大多数,分片技术对安全性要求极高,同时,区块链系统中的节点数目比传统数据库中的可能要多,并且面临带宽的限制。需要充分考虑到延迟带来的不一致性导致的性能和安全性问题,因此鲜少有落地的相关项目。需要在大规模的网络中进行长时间的测试验证,并结合严谨的理论方案证明,才能令人信服。
无论在区块链领域或数据库领域,分片时要进行的第一步工作都是提取数据的关键特征值,并将关键特征值按照一定的规则来划分给不同的碎片来处理。关键特征值的选择非常重要,它关系着数据的表示唯一性保障以及分片的效果。

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