纵观区块链发展历程，以太坊以图灵完备的EVM，引领了区块链2.0的发展，这是不争的事实，当然，以太坊不是完美的，但是V神和他的团队在区块链技术领域的权威有着高度共识，文章想聊聊v神以及他的团队如何操刀以太坊2.0版本。2 G) `0 _: t9 I% |
分片
8 ]2 |3 D1 h7 j. r. z8 h4 ?交易拥堵一直是每个主链致力解决的问题，虽然以太坊的TPS对比比特币有了很大的提升，但是在技术快速更迭的区块链世界，依然面临着巨大的竞争压力，于是以太坊2.0希望在当前主链上扩容，不依赖超级节点，希望能达到数千级别TPS以提高以太坊基础公链底层竞争力。
5 G+ M+ g9 L/ ^$ `( Q& [分片后会有哪些问题呢，当然会有很多问题，分片后世界账本如何保持一致？每个分片采用什么共识？; J. N3 d* E  ?; B
1、一次性分片提案
. |/ s" \8 a5 @假设1个节点能处理N个交易，那么主链能追踪N个分片，每个分片都能处理N个交易 ，所以系统一共能处理N^2个交易。因此这个提案叫做一次性分片。6 O3 j* G& O8 ^2 J
假设变量 c 表示一个节点的有效计算能力，那么在1个普通的区块链里，交易容量就被限定为 O©，因为每个节点都必须处理所有的交易。二次方分片的目的，就是通过一种双层的设计来增加交易容量。第一层不需要硬分叉，主链就保持原样。不过，校验器管理合约（validator manager contract，VMC）需要被发布到主链上，它维持分片系统。这个合约中会存在 O© 个分片（目前为 100），每个分片都像是一个独立的“银河”：它具有自己的账户空间，交易需要指定它们应该被发布到哪个分片中，并且分片间的通信是受限的（事实上，在第一阶段，不存在这种通信能力）。% s) i" D  J5 w' ]# o$ W! }9 P
2、世界状态如何保持一致性
- P* f; m) R' y分片后，首先要解决的问题是，如何将不同片区的交易导致的账本状态收敛到唯一的世界账本中，以太的账本基础数据结构是MPT（前缀树结合默克尔树的优化），如图：
+ \( Z3 q7 ^' v! E. S. R( G7 z  d9 d% L. S! Q5 c
我们知道，树这种数据结构是可以拼接的，如上图中，假如我们把第一层，一个块的stateroot作为另一颗树的子节点，那么这整条链降到了第二层，而这并不影响这棵树的任何属性，只是这时候第二层的块要换个名字，以太坊2.0叫它Collation：5 ^0 Z  Y1 q9 T# {! a8 @1 F
2 ^- {5 Z5 ^8 B+ U9 \; N
我们来看看V神的账本结构图：" R/ I7 x6 I8 O( U9 B( W/ I

: ~; x8 W5 r& h( U% Q  R当然，同一个用户在同一个时间段内，只能分配到同一个片区内，交易需要指定它们⾃⼰应该被发布到哪个分⽚中。
3 `* @6 c& f$ A6 I6 ~3 S: s0 ~; [) E# m而如前文所说，第一层中依然使用pow共识不变，只是这时块中的state_root是有众多的shard state root 收敛而来。块中不同片区的交易的执行，验证，世界账本的演化得到并发的执行，TPS 得到提高。
) R7 `! D4 g" w$ n+ \% u当然这里仅仅是从账本的数据结构来分析，分片后，世界账本如何既保证一致性，又能够很好的支持并发。保证世界账本的一致性，还有很多重要的问题要考虑，例如最长链选择策略等。- L4 r) z6 \6 M& F9 ]
3 casper* S( @+ F; D6 {8 f  ?1 W
3.1每个分片要用什么样的共识？
8 k& y: w% ^$ T$ ]# u9 i我们知道以太坊当前使用pow共识，抛去算力挖矿导致的电力浪费，温室气体排放，继而让大家觉得世界都不太美好了，那么pow除了排放温室气体，它能够用作分片片区中的共识算法吗？# L# i  P8 v- D; J+ N
7 Q' [) b( k- z- I
分片意味着每个片区的节点数变少了，这让原来控制全网51%的算力几乎不可能变的没那么难了。显然不合适，就像大家知道的，pos成为了候选者。2 v2 G9 ]' P/ S% L; }; p
当然在pos一开始被提出后，国内外很多项目一拥而上，但是现在存活下来的不多了，为什么呢，我们举两个导致使用pos系统性死亡的充分非必要例子：9 M, |0 f  D. g4 z+ k
无厉害攻击问题。
( J4 y+ o( |! u远程攻击问题。$ e  x; w2 r1 ^
我们来看一下无厉害攻击问题。
# v0 S2 Z2 X! S7 H1 ^, q⽆利害关系' X' h& D8 D# A3 K$ O3 e, @
早期的Pos机制下，只考虑到奖励，没有对应的惩罚机制，产块者倾向于两个分支都添加，因为它不用付出额外的代价，但是增加了收益概率：
3 s4 D- w  A% n% D  G) Y- A) J$ ]6 y+ y# `2 b% \* q  O1 r6 r
在工作量证明中，这么做需要将算力一分为二，因此会影响收益：
7 c9 H, ]3 A. h2 k& L' j2 Y. P0 M# ^) U- u, s" z6 E  t' a/ x
引入惩罚机制后：# H( a) Z3 [% @) D( e
远程攻击问题：
8 H+ c3 N- W+ Q* w2 ^9 P
2 w9 `  y. l4 h' f6 ~( P. u& Q如果某个时刻，网络中的大多数人从一个“历史久远的块”开始分叉怎么办？
2 |$ C1 X5 {# f0 ?8 R  h! q所以我们需要一个协议去解决这些问题，这个协议就是casper，casper中定义了两个重要的惩罚消减条件：
, x" k0 `3 E+ Z7 m8 H2 Q5 p" t0 b% [) q/ H5 z# N6 t
7 B) a8 |* K9 y/ @3 y; C
Casper的白皮书对相关的安全性证明给出了详细的解释，这里不做累述，当然使用pos，还有很多问题需要考虑，例如大多数节点的生命周期管理，casper也提出了动态验证集概念，去解决对应的问题。% r. ~6 R: F, x4 X$ I9 j
概括来说，在pow世界里，高昂的算力成本付出，让矿工自觉地向最长链收敛，那么在去算力的世界（pos）里，如何让产块者遵循统一的最长链选择策略？我们需要制定规则，以太坊2.0采用pos+BFT类共识，对相关的规则（casper）达成最终共识，解决这些致命的问题，而BFT类共识有需要N^2的通信代价，节点扩展性受到制约，这也是为什么分片（每个片区节点数有限）被选择作为以太坊2.0的扩容方案。