专访以太坊资深技术专家杨震：分片技术能否解决以太坊寒冬之险？ （向下）

“分片时代来临”，分片技术原理

以太坊的性能问题一直被人们诟病，2018年4月，Vitalik发布了新的概念验证，展示了如何在以太坊主链上“栓接”分片扩展方案，并在推特上发文称“Sharding is coming ”，这将大大增加以太坊的交易处理能力。 以太坊分片技术意味着区块链技术现在更加多样化，其可扩展性带宽问题可以在2020年得到解决。

有人将“分片”称为自智能合约发明以来最大的突破。 对此，杨震也做了技术解读。

所谓分片，是指以太坊主网扩容的技术方案，英文为Sharding。 请注意，这是主网的扩容，即layer1的扩容。

目前的以太坊主网实际上相当于一台单线程（单进程）的“世界计算机”，运行在所有矿工和全节点上以达成共识。 它目前的平均 TPS（每秒事务数）大约是这个数量级的 10。

分片是将这个单线程计算机扩展成多线程（目前设置为1024线程）计算机，即可以有1024条分片链同时处理交易； 当然，地址/账户状态也会分别存储在这1024条分片链中。

这样做之后，会出现一个明显的问题：因为地址/账户已经分散到不同的分片链上，那么不同分片链上的地址之间如何进行交易呢？ （这里需要理解的是：Sharding方案中某个用户的账户/地址只会存在于某个分片链上，而不是复制所有当前账户/地址的1024份）。

目前设计了一种叫做CrossLink（可以翻译为“交叉链接”）的数据结构，用于通知PoS主链信标链（大概翻译为“信标链”）分片链的状态变化。 信标链是所有分片链的公有主链，也是与当前PoW主链协同工作的基于PoS算法的新主链； 信标链是基于著名的Casper协议设计和实现的。

Casper有两个版本，一个是V神和Virgil Griffith制作的Casper the Friendly Finality Gadget，简称Casper FFG，是PoW+PoS的混合共识算法，也是目前PoW的过渡期主链到PoS主链将采用的技术方案； 另一个是 Casper the Friendly GHOST: Correct-by-Construction，Vlad Zamfir 简称为 Casper CBC，这很可能是以太坊未来最终要实现的链上治理方案（包括经济模型的重新设计）。

Casper和Sharing（分片）长期以来一直是两个独立的项目，分别由不同的团队研究。 今年 7 月，以太坊社区做出了一项重大决定：将 Casper 和 Sharding 项目合二为一。 这是因为在研究过程中，开发者逐渐发现他们的关联性其实很强，很多技术细节需要在设计中一起考虑，所以最终做出了这个决定。 这样，以太坊的layer1扩容方案就变成了所谓的Shasper（Sharding+Casper）协议。

Shasper协议是一个非常大的改进（创新），其本身的技术难度也非常高。 目前，其协议设计仅完成了约70%，许多技术细节尚未敲定。

Shasper 协议的当前设计与最初的 Casper FFG 协议有一些不同； 杨震对此也作了概念性的解读。

首先要介绍的是Shasper协议中的一些关键角色和术语，比如验证者（validator）、活跃验证者集（active validator set）、委员会（committee，活跃验证者集的一个伪随机子集）、提议者（ the proposer, validator that generate the block), attester (the prover, the validator that issue the block) and slot (proposer and prover is issue a block), dynasty transition (王朝更替,即更新验证者集合），dynasty（朝代，自创建区块以来朝代变化的次数，即朝代序号），cycle（周期，所有验证者都有机会做出一个证明区块span）， finalized（定案）、justified（确定）等。

Shasper协议需要在当前PoW主链上创建一个casper合约来锁定验证者的权限，并对验证者进行管理（如推选委员会、执行朝代更替等），这是对当前现有主链唯一必要的修改.

然后，想要成为验证者的用户可以从自己的账户中发送32个Eth到Casper合约进行“注册”，这是一个比较民主化的设计（即每个地址最多只允许使用32个Eth进行注册），而不是像最初的设计那样不限制这个stake的数量，这会让一些拥有大量Eth的地址获得过多的收益）。 之后，Casper 合约会将这些“注册”的地址保存为候选验证人，作为当前王朝的验证人集合。 当然，锁定在Casper合约中的这部分权益也可能会根据一定的规则进行扣减，这是一种协议级的惩罚机制，比如被证明是“作恶/造假”或者“下线/未签” 》等了很久。

Casper合约会为每条分片链选出一个委员会在分片链上发布区块，分片链上的区块引起的状态变化会通过crossLink记录在信标链上。

显然，由于所有的分片链都是并行工作的，它们会生成自己的区块来记录交易数据和状态变化； 当交易双方的地址不在同一条分片链上时，交易会影响两条分片链的状态，由于是并行处理，交易的打包顺序是不确定的，所以信标链上的区块与它们相关联的肯定会“分叉”（即同时生成多个parentHash相同的区块）。

这里可能不太好理解，但是我们可以参考一下目前PoW主链末端的抖动问题：在PoW算法中，由于所有矿工并行进行挖矿操作，那么由于网络延迟以太坊会不会回到pow，在一个区块内时间（16秒），很可能会产生多个parentHash相同的“合法区块”； 分片的情况类似，1024条分片链并行执行/打包，当前设置的slot（即出块时间）为8秒，因此由于网络延迟，必然会出现parentHash相同的合法区块在他们的公共主链信标链上生成。

Casper协议本质上是一种“提案机制”，是一种共识算法，用于在多个提案同时出现的区块树中选择主分支或“规范链”，这也是对BFT的改进（拜占庭容错）算法。 当然，实际的算法要比这里描述的复杂得多，而且还有很多技术细节。

总体来说，Shasper（Sharding+Casper）方案的实施难度很大，还有很多技术细节没有敲定，可能会有一些变数，包括经济模型的设计（每个人的奖励比例）参与者、具体惩罚机制、PoW 链奖励减少计划等）。 按照目前的计划，该方案将于2020年上线主网，但两年内可能会发生很多事情，社区的工程能力也堪忧。 另外，节目本身的实际效果，恐怕只能等上线后才能评价了。

今年6月3日，Vitalik在2018以太坊技术与应用大会上发表了题为《Casper与分片技术最新进展》的演讲。 首次披露以太坊Casper和以太坊分片技术（Sharding）的最新进展，以及Casper节点的奖惩机制。 演讲当天，以太坊强势拉升重回600美元上方，短短几个小时涨幅5%。 可见以太坊会不会回到pow，分片技术已经得到了众多以太坊信徒的认可。 未来分片技术是否会成为改变以太坊低迷的关键，让我们拭目以待。

青年镇

高级软件工程师、架构师； 区块链技术布道者，Solidity官方文档中文翻译项目贡献者、编辑和项目管理员。

17年软件行业经验。 2017年开始参与以太坊技术社区的贡献； 独立翻译以太坊Homestead官方文档中文； 独立编辑更新以太坊黄皮书中文版； 独立将以太坊分片技术说明翻译成中文。

目前专注于区块链技术推广、中国技术社区贡献、智能合约开发和安全审计。

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