以太坊2.0信标链与分片的新思路

区块链提升性能的本质在于共识算法改进以及链内链外多种辅助手段，在不可能三角中寻求平衡。区块链与现存的互联网资源（计算、存储和网络）相关技术最核心的不同便是引入了去中心化的分布式网络，简单来说，现在的互联网基本上都是以中央服务器（中心云）为中心进行互联网资源的调度和管理，用户通过一个本地的客户端来发送和接受指令和数据，这些指令都是通过中心平台来进行管理和转发。比如聊天信息，用户直接发送消息聊天，消息是从发送用户到中心平台再转发到接受用户，这类中心化的运作模式与交通运输和物流快递网络是一样的——总的来说，大部分互联网应用都不是点对点用户对用户直接进行数据信息的流转沟通。目前公链所面临的最大的一个问题就是性能（扩容）的问题，相对于中心化的网络系统，去中心化的区块链处理速度过慢。例如2018年淘宝在双十一当天的24小时内产生了2000亿个订单，如果按照以太坊当前每秒3~4笔的处理速度，需要运行1600年才能处理完，缓慢的处理速度，将导致未完成交易阻塞整个网络。因此区块链想要商业化应用，就必须要最大限度地去提升性能。

以太坊2.0将由PoW转向PoS，利用分片和信标链解决性能和扩展性瓶颈。以太坊引入智能合约，将互联网带入区块链时代。正是智能合约的资产发行功能直接创造了2016-2018年的币市大牛市。DApp数量因此得到迅猛发展，而用户活跃度和用户体验则依旧处于较为初级阶段，这跟以太坊以及其他区块链公链基础性能密切相关。按照其创始团队的规划，以太坊的发展路线分为四个阶段，即：Frontier（前沿）、Homestead（家园）、Metropolis（大都会） 和 Serenity（宁静）。每个阶段都会通过硬分叉的方式来进行升级过渡，而每个阶段的升级都是为了引入更多的特性和修复问题。以太坊2.0将有PoW共识机制转向PoS共识机制，核心的逻辑是在不可能三角中寻求新的平衡。

分片链是以太坊2.0网络未来可扩容性的核心特征，信标链是系统的中枢。在以太坊2.0规划中，信标链（Beacon Chain）是整个系统的中枢部分，通过权益证明Casper协议（Casper是整套系统的共识层，负责管理验证者，施行奖励和惩罚）并协调所有独立并行的分片链（（Shard Chains）），通过交联（Crosslink）作为各分片的锚定点以实现跨分片通信，并为分片提供最终确定性保证。根据以太坊 2.0 规范，信标链将支持 64 个分片链，每条分片链上将有 128 个节点进行验证工作。分片是指：将某数据库（去中心化数据库或其他类型数据库）中许多节点的数据处理职责分割开，允许同时进行交易、存储和信息处理。分片理念与目前的以太坊主链模式完全不同，后者则需要每个全节点对每一笔交易进行处理和验证。可以简单这样理解，目前的比特币或者以太坊都是基于全网共识——对每一笔交易都进行全网见证，而为了提高性能，把整个网络分成一片片区域，每个片内部进行独立处理有限的数据业务，而分片之间的沟通协调则通过信标链来完成，从而带来性能的提升。这类似于将庞大的账本数据分散给多个服务器进行独立处理以提升速度，然后通过类似中心流量系统（即信标链）将服务器之间进行互联沟通，确保全网共识一致，账本能够有统一确定的结果。

分片以异步并行的方式提升了网络的吞吐量和效率，非常适合开放的分布式网络。分片是将公链网络中的所有节点划分为不同的分组，每一个分组叫做一个分片。原本公链中所有节点所做的任务是完全相同的，现在将任务进行分组，分配给不同的分片，各个分片处理不同的任务。原来公链网络的性能瓶颈取决于网络中节点的性能，进行分片后，单个分片内的节点仅需承担全网的部分工作，各个分片并行工作，从而提升整个网络的承载能力。假设分片数为n，则每个节点需要承担的的工作量为全网工作量的1/n。同理，全网容量也将变为原来的n 倍。分片是区块链扩容最佳方案，它能在没有提高节点硬件要求且没降低去中心化程度的情况下，实现网络性能和容量的大幅提升。目前，运行以太网网络的每个节点都必须处理通过网络传输的每一笔交易。这使区块链具有很高的安全性，因为每个区块有多少验证，但同时这意味着整个区块链只与其单个节点一样快，而不是其各个部分的总和。在这个系统中，某些节点只会处理某些分片的事务处理，从而允许在所有分片中总共处理的事务的吞吐量比单个分片完成所有主分支现在所做的工作要高得多。与目前的比特币和以太坊的区块任务串行的工作方式不同，这种处理方式跟边缘计算或者物流仓储节点的工作模式很类似，通过化整为零、异步并行来提升全网的吞吐量和效率，非常适合开放的分布式网络。

信标链的主要职能和作用是为其自身和所有分片链管理权益证明协议，是系统的中枢神经和信号灯塔。信标链是分片系统的的中枢，解决了分片网络的一致性和跨片通信，为系统提供最终确定性。具体分片内部的分散终端之间需要一套共识机制，而信标链可以理解为分片系统的共识机制——为分片系统提供跨片通信、协议、价值交换等层面的共识机制。信标链承担的其中一个职能是让验证者可以参与质押系统、替代矿工的角色而成为链的构建者，从而很好地管理和服务验证者。信标链另一个职能是存储分片状态的索引——信标链并不需要存储分片的具体交易信息。当前的以太坊区块链上存储了全网交易的数据信息，但是信标链不同于当前的以太坊主链，它存储的是一系列经过哈希映射的字符串——哈希运算的结果是唯一、不可逆的，源数据一个字符的改变都会产生不一样的哈希值，但无法通过哈希值反推源数据。

在信标链中，验证者验证并签名交易，比如一笔转账交易，然后经过哈希变成一段字符串，将这个字符串存到信标链中，此时这个字符串就代表了一笔交易的数据，这样做的好处就是，不用深入探究这笔交易到底在哪个分片中发生依旧可以确保交易有效。分片中的状态一旦发生改变（比如某个账户余额发生了丁点改变），验证者都会把这个变化汇报给信标链。因此，信标链实时跟踪者分片的变化，也建立起了个分片间的联系与通信。因此，分片间可以通过信标链来跟踪彼此的变化、实现分片间异步（即非实时）通信。

总之，信标链的主要职能和作用是为其自身和所有分片链管理权益证明协议，类似系统的中枢神经，支撑和联系着分片更好地工作，具体主要管理验证者和它们的权益等5个方面。信标链就像信号灯一样，指挥着系统的各种行为，存储着大量的认证数据；但依旧去中心化的，如参与其中的验证者的投票行为是由验证者本身自己所决定的，信标链是不能左右的。

以太坊2.0中，分片是借鉴了异步并行通信的思路来提示吞吐量和效率，信标链则类似中枢神经和信号灯塔，为分片提供跨片通信和全网共识；由于哈希运算的特点，信标链既不会存储分片的交易数据，又能够监督分片数据、防篡改，提供互信。

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编译者/作者：大姐

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