作者：Beam

2022 年 9 月 15 日，以太坊合并（Merge）。这是一个历史性的时刻，以太坊为此准备了 5 年、推迟了 6 次，由于反复的调试与长期的开发、万众瞩目的晕轮效应，很多人误以为合并会自然而然地带来更高的可扩展性、安全性和可持续性，实际上并不是 — — 我们还是用两个列车的比喻，从 PoW（工作量证明）到 PoS（权益证明）的过渡，只是更换了轨道和轮子，它并不会直接地带来更快的速度、更大的容量、更低的车票费用，真正能完成以上三点的，是一整套解决方案：拥有分片能力的主网搭配增强可扩展性的 Layer2 解决方案。

正如以太坊创始?Vitalik Buterin 所指出的，分?是可扩展性三难困境下的一种扩容解决?案，通过将?络中的节点分成更?的组，处理不同的事务集并实现并行处理。通过分担处理整个网络上汇总所需的大量数据的负担，就像我们在 Walmart 购物结账时一样，通过多开设几条购物结账的收银通道，可以直观地减少排队时间和提升结账效率。

这就是分片的逻辑，直接而简单，然而，魔鬼都在细节中 — — 原理和方向没错，但在实施中总会遇到很多问题。本文想通过理顺在 “分片” 这条路上的方向和困局，绘制一张仰望星空与脚踏实地的分片探索者地图。同时通过比较现有的分片解决方案，找到一些共性的问题，并提出一种可行的探索方向：Shardeum 与动态分片。

一、关于 “分片”

简单来说，考虑不可能三角的制约，从以太坊作为坐标系原点（0,0）出发，按照 “纵向” 和 “横向” 两种思路，我们将当前的区块链的扩展性方法分为两大类：

纵向扩容（Vertical Scaling）：通过提高系统现有硬件的性能来实现。建立一个去中心化网络，而网络中的每个节点都具有超级计算能力，即每个节点都需要 “更好”的硬件 — — 这种方式简单有效，可以达成吞吐量的初步改进，尤其适用于高频交易、游戏以及其他对延迟比较敏感的应用场景。然而这种扩容方式会限制网络的去中心化水平，因为运行验证节点或全节点的成本变高了。维持去中心化水平受限于计算硬件性能的大致增长速度（这就是所谓的 “摩尔定律”：芯片上的晶体管数量每两年会翻一倍，计算成本则会减半）。

横向扩容（Horizontal Scaling）：横向扩容一般有几种思路。一种是在区块链的语境下，将某一生态中的交易计算量分散到多个独立的区块链上，每条链都拥有自己的区块生产者和执行能力，这种方式可以充分定制化每条链的执行层，比如节点硬件要求、隐私功能、gas 费用、虚拟机以及许可设置等。另一种横向扩容方案是模块化区块链，将区块链的基础架构划分成执行层、数据可用性层（DA）以及共识层。最主流的区块链模块化机制就是 rollup。还有一种是将一条区块链分成很多片，并行执行。每个分片可以看成一个区块链，也就是说许多区块链可以并行执行。另外，通常还会有一条主链，其唯一的任务就是保持所有分片同步。

需要指出的是，以上的扩容思路都不是孤立存在的，每一种解决方案都是在不可能三角中找到一个权衡点，配合系统中经济力量创造的激励机制设计，达到宏观和微观层面的有效平衡。

为了讨论 “分片”，我们需要从头开始梳理。

依然假设这样一种情景，Walmart 购物结账，为了提高结账效率，降低客户等待时间，我们从单一的结账通道，扩展到 10 个结账窗口，为了避免账本错误，这个时候我们需要制定统一的规则：

第一，如果我们有 10 个收银员，该如何分配他们去哪个窗口工作？

第二，如果我们有 1000 个客户排队等待，该如何决定每一个客户去哪个窗口结账？

第三，这 10 个窗口对应的 10 个单独账本，该如何进行汇总？

第四，为了避免发生账目不匹配的情况，该如何防止收银员出现错误？

这几个问题其实对应了分片中的几个关键问题，分别是：

该如何确定全网的节点 / 验证者属于哪个分片？即：如何进行网络分片（NetworkSharding）；

该如何确定每一笔交易分配给哪个分片？即：如何进行交易分片（Transaction Sharding）；

区块链资料如何在不同分片中储存？即：如何进行状态分片（State Sharding）；

复杂意味着风险，在以上所有的基础上，该如何避免整个系统安全性的分裂？

01 网络分片（Network Sharding）

如果我们将区块链简单理解成一种去中心化账本，无论是 PoS 还是 PoW 的共识机制，都是为了让各个节点按一定的既定规则争夺记账权，在