18、分片技术扩展区块链的探索与实践

分片技术扩展区块链的探索与实践

1. 分片技术提升区块链容量

通过一些策略可以显著提升区块链的容量。例如，若能验证两倍数量的签名，最低质押存款金额可降低，从而容纳两倍数量的验证者，形成 200 个委员会（原本是 100 个），这样每个插槽就能验证 200 个区块（原本 100 个）。此外，单个区块的大小还可翻倍，最终实现 4 倍的链容量提升。

将网络有意划分为 n 个分片，能以 O(n) 的方式显著提高吞吐量。理性的矿工为获取最大奖励，会将挖矿算力分散到多个分片（最多 n 个）。但这会使每个分片的工作量证明（PoW）安全性降低 O(1∕n)，因为分片规模相对总网络较小，恶意矿工只需控制网络中 ℙ∕n × 50% 以上的挖矿算力，就可能发起双花攻击。随着 n 的增加以提高吞吐量，该问题会愈发严重，成为在分片机制的内部共识协议中应用 PoW 的最大障碍。

为解决安全问题，基于拜占庭容错（BFT）的共识技术被提出以替代 PoW。然而，BFT 共识也带来了新的漏洞，如内部共识安全和跨分片原子性问题。以下是几种相关的分片解决方案。

1.1 Nakamoto 基础的 Monoxide - Chu - ko - nu 挖矿

Monoxide 是首个无需随机数生成的分片解决方案，它在内部共识中使用 Nakamoto 共识算法。其从一对一的引导过程开始，每个节点（包括矿工和非矿工）根据唯一标识符地址被划分到不同分片。借助 Chu - ko - nu 挖矿算法，Monoxide 可构建大规模、多分片且分片大小可变的网络。它利用 Merkle Patricia Tree（MPT）根将所有提议的区块分配到多个分片，使 P∕n 能提高 k 倍（k 表示特定矿工挖