以太坊分片：Overview and Finality

在EthereumCasper101中，JonChoi对Casper做了一个很棒很清晰的综述，并解释了为什么显式最终确定性（explicitfinality）对于可扩展性（scalability）大有裨益。本文旨在给出一个以太坊分片的设计概览，并阐释显式最终确定性如何有助于区块链分片。为了完全理解以太坊分片机制提案的技术规范，我强烈推荐深入研究Vitalik写的shardingdoc.区块链可扩展性问题

不断增长的交易。

目前的块生成过程导致可扩展性受限。区块的gaslimit束缚了区块的计算容量。无论是提高区块的gas上限，还是大大降低区块时间，都会导致高陈腐率（highstalerate），并削弱网络对抗攻击的能力。

并行不足。首先，现有的EVM按先后顺序依次处理交易。其次，出于安全和去中心化的考虑，每个全节点会执行每一笔交易，并存储整个（或修剪后）的状态树。

进阶阅读：并行执行交易EIP648 — Easyparallelizability术语首先，让我们来看一下在主链（你可以理解为现在的Mainnetchain）和分片链（shardchain）上不同层次的对象区别：

-表格1.术语-可以简单地这么认为，交易都会被装入“collation”。与区块类似，一个collation也会指向它在链（指的是分片链）上的parentcollation。成为一个“collator”，就意味着你有资格在POS分片链上提名一个新的collation。

Collation基本数据结构一瞥-基本的二次分片分片链的共识依赖于主链与侧链类似，collation只有一小部分的证明必须记录在主链上—这也是我们如何扩展区块链的基本想法：

分片链上的交易处于自己独立的空间中，分片验证人（shardvalidator）只需要验证他们所关注的分片。

分片链也通过POS机制依附于主链，以获得更高层次的共识（higherlevelofconsensus）。

验证人管理员合约（ValidatorManagerContract,VMC）为了将分片链加入到主链中，在主链上需要有一个叫做验证人管理员合约（VMC）的特殊合约。VMC是这个分片机制的核心。VMC的目的可以概括如下：

权益证明系统。如果验证者表现不端，其权益将会被剥削。

伪随机采样。通过将当前块哈希作为种子，采样出合格的collator。基本上，验证者将它们的保证金（stake）存入VMC，然后他们的验证代码地址（validationcodeaddress）将会被记录在一个VMC内部的全局验证人列表（aglobalvalidatorspoollist）。系统将会从验证人列表中采样出一个分片链的验证人，并将其指定为指定“时期（period，下面会解释什么是period）”内，指定分片的验证人。这种方式使得验证者无法提前预测他们何时会成为验证者，也无法预测会成为哪个分片的验证人。

Collationheader验证。VMC有一个addHeader(bytescollationHeader)函数，该函数用=来验证collationheader，并记录有效的collationheaderhash。这个函数提供了即时的链上验证。

跨分片通信（cross-shardcommunication）。利用UTXO模型，并通过在主链上进行交易和创建一个receipt（带有receiptID），用户可以将以太存入一个指定分片。分片链上的用户可以给定receiptID创建一个消费receipt（receipt-consuming）的交易，来花费该receipt。

链上治理（on-chaingovernance）。将VMC作为议会，使得验证人可以在链上进行投票。

如何在分片内提名Collation？在阶段1，VMC将会维护100个分片（SHARD_COUNT=100）。每个分片并行执行，分片i的客户端只需要验证分片i上的交易。“时期（period）”被定义为一个区块时间的准备窗口（aboundingawindowofblocktimes），比如PERIOD_LENGTH=5意味着每个周期有5个块。这表明在每个周期内，对于每个分片只有不超过1个有效的collation。

二次分片。分片状态的证明将被记录在主链VMC上。-

一旦验证人被采样为合格的collator来提案一个新的collation，collator必须对最近的collation进行验证，并发送一笔交易来调用addHeader函数。注意，如果collator周期10被采样到提交一个新的collation，这意味着addHeader交易必须被包含在周期10里面，也就是说，交易必须在区块号10*PERIOD_LENGTH到区块号(10+1)*PERIOD_LENGTH-1之间.-图片2(b).对于一个片来说，一个period只有一个collation；一个区块可以包含不同片的多个addHeader交易-collationheaderhash必须被记录在VMC上，以证明它的header全局有效。此外，分片的所有其他验证人必须时刻检测VMC以获得最新状态，然后验证交易是否也有效。分片链的分叉选择规则（forkchoicerule）在基本分片中，分叉选择规则依赖于最长主链。给定一个分片，它的有效headcollation不是简单的“最长有效分片链（longestvalidshardchain）”的headcollation，而是“在最长有效主链里面的最长有效分片链（thelongestvalidshardchainwithinthelongestvalidmainchain）”。Figure3(a)中有个例子，主链上有两个分叉，在下图中第二条链是最长有效主链。因为blockB3是headblock，很容易看出collationC3是headcollation。

然后Figure3(b)中blockB3'到了。假设blockB3的得分（score）高于blockB3'，那么上面的链仍然是最长主链：

最后Figure3(c)到了block4。注意到，对于这个分片，虽然collationC3的得分比collationC2更高，但是下方的链是最长有效主链，所有现在collationC2是headcollation：

更多内容：另一个设计—VladZamfir的shardedforkchoicerule

-一个精巧的设计，保证区块链可以在它们被最终化(finalized)之前原子化-可扩展性与安全性之权衡对于去中心化，可扩展性和安全性这三个属性，区块链系统最多只能三选其二。—BlockchainTrilemmainShardingFAQ出于对系统安全的保证导致了可扩展性受限3。当为了提高TPS（每秒交易数）将交易分配到各分片的同时，我们随之也减少了每笔交易的计算资源。分片的其中一个重要机制就是，如何在链上生成随机数。

collator被选中的几率，应该仅与验证者的保证金相关，且成比例。

如果验证人能够预测，或是任意选择他们想要参与的分片，那么不诚实的验证人既可以相互共谋，展开一个适应性攻击（adaptiveattack）。

如果采样不能以较高的随机性进行选择，那么攻击者很可能在分片中展开1%攻击：如果有100个分片，攻击者可以专注于攻击某一个分片，他们只需要1%的hashrate(POW)/deposit(POS)就可以控制分片.

传统的多数攻击（51%攻击）-

分片上的1%攻击-分片的区块链显式最终确定性隐式最终确定性v.s.显式最终确定性首先，我必须声明，分片机制应该同时能够应用于POW与POS的链。即使如此，显式最终确定性这个小物件也跟Casper一样，可以使得分片更加健壮。在一般的POW链中，最终确定性是概率性，隐式的。简单来说，即使区块获得了数以千次的确认，仍有可能对链进行重写。相反，将CaspertheFriendlyFinalityGadget(“FFG”)加密经济机制应用于POS，显式地在协议内（in-protocol）强制保证对我们来说，是否是最终确定(we-can-check-if-its-finalized-for-us)。[来自Vlad]协议内显式最终确定性阈值有个经济风险：它在2/3+1和1/3+1之间创造了一个理想的卡特尔大小（cartelsize）。相应地，任何不在2/3+1同盟节点（coalition），其最终确定性的边际贡献就将为0。主链最终确定性依赖在基本分片中，分片链锚定与主链之上。对于分片验证人，我们希望分片，区块链容量在阶段1扩容100倍，因此这100个分片的所有验证人，都将需要监测VMC状态来获得正确有效的headcollation。对于验证人来说，重要的一点是，要尽快确信他们是否是collator。对于普通用户而言，如果我们在阶段2应用跨分片交易，普通用户也将需要在VMC上检索他们的保证金信息（receiptID）。显式最终确定性，将会有助于缓解主链与大量分片链之间同步的不确定性。显式最终确定性有助于无状态客户端无状态客户端的基本原则是，它不存储整个状态树，相反，无状态客户端只存储状态树根。归档客户端（archivalclients）存储整个状态树，并提供给定collation所需的Merkle分支。有了这些Merkle分支，无状态客户端就能够构建部分的状态树，并验证collation。一旦完成验证人采样并再混洗（reshuffle），就会立刻触发同步。有了无状态客户端机制，再混洗（也就是改变验证者检测的分片，并同步分片链）的成本低至（接近）0，因为它们只需要验证最新的collation（也就是有着最高得分的collation）来同步分片。

无状态客户端模型Figure6.Statelessclientmodel-因为同步过程可能非常快，无状态客户端模型就可能在每个collation之间再混洗成。这不仅会减轻存储压力和开销，也会使系统更安全，因为频繁采样能够获得适应性攻击的抵抗能力。CasperFFG将会提供显式最终确定性阈值afterabout2.5“epochtimes”，也就是说，125个区块时间。如果在再混洗期间，验证人能够验证超过125/PERIOD_LENGTH=25collation，分片系统能够从显式最终确定性中受益，确信从现在起的前25个collation可以最终确定。当然了，如果在同步时有更多collation得到验证，就会更加安全。结束语希望我已经对当前以太坊的分片设计概念作出了简单介绍，以及显式最终确定性如何有益于分片机制。

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