2022年9月15日，以太坊完成了历史性的合并（Merge）升级。尽管这一转变标志着从工作量证明（PoW）到权益证明（PoS）共识机制的重大演进，但它并未直接解决区块链的可扩展性问题。真正的扩展性提升需要依靠分片技术与Layer2解决方案的协同作用。分片通过将网络节点划分为更小的组，并行处理不同交易集，从而分担整个网络的数据处理负担。这就像超市开设多个收银通道，直观减少排队时间并提升效率。
然而，分片技术的实施面临诸多挑战。本文将系统梳理分片技术的核心问题，分析现有解决方案，并重点探讨Shardeum项目提出的动态分片创新路径。
分片技术的基本原理与挑战
扩展性方案的两大方向
区块链扩展方案可分为纵向扩展和横向扩展两类：
- 纵向扩展：通过提升单个节点的硬件性能实现吞吐量改进，适用于高频交易等场景，但会因节点成本上升而限制去中心化水平。
- 横向扩展：包括多链生态、模块化区块链和分片技术。分片将一条区块链划分为多个并行处理的分片，通常由一条主链协调同步。
分片的核心问题
以超市收银为例，分片需解决四个关键问题：
- 网络分片：如何将全网节点分配到不同分片？
- 交易分片：如何决定每笔交易由哪个分片处理？
- 状态分片：如何在不同分片中存储区块链数据？
- 安全性：如何防止系统安全性因分片而削弱？
网络分片的安全挑战
节点分组后，攻击单个分片所需的控制权比例大幅降低。例如，若将X个验证者分成10个分片，每个分片仅需X/10个验证者，破坏一个分片只需控制5.1%的总验证者数。解决方案是引入无偏随机性，定期更换分片验证者成员，如以太坊2.0每6.4分钟轮换一次验证者。
交易分片的模型差异
- UTXO模型：按交易输入值哈希确定分片，需跨分片通信以避免双花攻击。
- 账户/余额模型：按发送者地址分片，同一账户交易在同一分片处理，更适合分片实施。
状态分片的跨片难题
状态分片是最大挑战。当交易涉及跨分片时（如A向B转账，A在分片1，B在分片2），目标分片需向源分片调用交易记录，验证有效性。频繁跨片交互将降低处理效率。解决方案分为同步跨片（紧耦合）和异步跨片（松耦合），后者采用更广泛。
异步跨片需保证交易原子性——要么全部成功，要么全部失败。常用技术包括收据（Receipt）机制和默克尔路径证明。
分片技术的实践与探索
计算分片：Zilliqa的尝试
Zilliqa早期尝试计算分片，将交易验证工作分散到不同分片，但所有节点仍存储完整状态，网络带宽和存储操作仍是瓶颈，无法真正实现扩展。
静态状态分片：主流方案分析
Harmony的实现方式
- 网络分片：验证者分为不同分片，各自运行共识。
- 交易分片：交易由单个分片处理，用户通过shard_id字段指定所属分片。
- 状态分片：每个分片验证者存储1/N的全局状态，采用Kademlia跨片路由和纠删码优化通信。
Elrond的自适应分片
Elrond采用所有级别的自适应状态分片：
- 动态分片机制根据节点数量和使用情况合并或拆分分片。
- 每epoch重新洗牌1/3节点到其他分片，防止串通。
- 跨分片交易通过元链（Meta Chain）实现快速最终确定性，采用异步模型处理。
Near的夜影协议
Near放弃信标链设计，将系统建模为单一区块链，在区块级别进行分片：
- 每个块逻辑包含所有分片交易，物理上分为多个块（Chunk）。
- 跨分片交易通过收据交易连续执行，影响多个分片时需在各分片中依次处理。
Shardeum与动态状态分片的创新
现有方案的限制
当前分片方案多为静态分片，存在两大问题：
- 跨分片交易需连续执行，无法保证原子处理。
- 节点增加不足一个分片大小时，无法有效利用新节点，缺乏线性扩展能力。
Shardeum的解决方案
Shardeum结合法定人数证明（PoQ）与权益证明（PoS），提出两项创新：
- 交易级共识：共识在每个交易级别完成，而非块级别，允许跨分片同时处理事务，消除原子处理的复杂性，实现秒级最终性和低延迟。
- 动态状态分片：每个节点持有不同的地址范围，且覆盖地址之间存在重叠节点，实现真正的线性扩展。通过地址空间与节点关系的动态变化，加上新的数据可用性证明进行跨片验证。
测试进展与性能表现
Shardeum目前拥有10个分片，每个分片128个节点：
- 2021年第三季度，Shardus技术在1000节点网络中实现5000 TPS跨分片交易。
- 2022年8月，Liberty 2.0测试网通过ERC20代币转移展示100 TPS能力，50个节点各存储约1/5总数据，执行1/5总交易。
常见问题
分片技术如何提升区块链性能？
分片通过将网络节点分成小组并行处理交易，分担数据负担，类似增加超市收银通道。这直接提升吞吐量，减少拥堵，降低交易费用，是实现区块链大规模应用的关键技术。
动态分片与静态分片有何区别？
静态分片采用固定大小的分片区域，节点分配相对稳定，扩展需添加完整分片。动态分片允许节点地址范围动态变化，支持线性扩展，能更灵活地适应网络变化。
Shardeum的交易级共识有何优势？
传统分片在块级别达成共识，跨分片交易需连续处理。Shardeum在交易级别完成共识，支持跨分片同时处理，消除原子操作复杂性，显著降低延迟并提升效率。
结语
分片技术是区块链扩展性的核心解决方案，但实施过程充满挑战。Shardeum通过交易级共识和动态状态分片的创新，为分片赛道提供了新的探索方向。尽管项目仍处于开发阶段，其测试网表现和技术构想已显示出巨大潜力。随着Web3大规模应用的推进，高性能、去中心化的公链将在市场竞争中脱颖而出，而技术创新与社区共建将是成功的关键。