区块链神吐槽分片应该做到什么？
从上面对瓶颈根源进行分析之后，我们可以得到这样的结论：特定的分片方案至少要切分系统的网络带宽、内存容量相关的工作量，才有可能大幅提高全网的伸缩性，才有可能打破所谓的「不可能三角」。
必须再次强调，这个结论非常重要。因为只有真正了解这一点，才能进一步讨论分片方案是否真的可以打破「不可能三角」。
虽然在前面的分析中，带宽和内存是短板，但实际上，其他部分的约束也并不富余。理想的情况下，分片系统能够切分上述四个方面所有的负担。对于一个有 n 个分片的系统，其每一个分片仅需要承载 1/n 的全网负荷，将网络带宽、硬盘文件 I/O、CPU 处理和内存容量的消耗都降到原来的 1/n。
在分布式系统中，这个是高伸缩性能带来的性能和容量提升的上界。一个分片系统如果可以实现这个，即性能和容量可能随着分片个数 n 而线性提升，那么理论上，可以使得全网的性能和容量能够被无限地提升。
而现实情况是，分片系统为了实现应用逻辑的正确性，协调各个分片之间的运作以及实现整体的安全性，需要每个全节点引入额外的工作量 overhead。
这些额外的工作量是个常数 O(1)，即和分片个数 n 无关，那么全网线性提升仍旧可以保证。
如果额外的工作量的阶 order 小于线性，例如 O(log n)，那么就意味着随着 n 的增加，全网提升比额外工作量的增加要来得快，全网线性提升还是可以实现的。但是，如果额外的工作量的阶大于或等于线性，例如 O(n log n) 或 O(n^2)，那么基本上全网提升到一定程度，就无法继续了。因为全节点额外引入的工作量成为了新的首要瓶颈。
跨分片交易的原子性保证
区块链中的每一个交易都是原子的，必须保证其涉及到的操作或者全部完成，或者一个都不开始，才能使得最终状态是正确的。
对于涉及到多个分片的交易，我们不得不协调发生在各个分片中的操作，保证它们都能被没有错误地完成，并且不受其他交易的干扰。这里看起来可以简单借用在多线程编程中常用的线程同步概念，用诸如临界区 critical section 等方式，锁住涉及到的状态，阻止其他交易触碰这些状态，在完成交易所有操作后释放。但是，这会导致部分分片的执行被阻塞，而导致实际性能大打折扣。并且随着全网规模扩大，分片数量增多，跨分片交易的比例必然会极剧上升，从而使得加锁变得非常频繁。
一个设计良好的分片系统，必须具备高效的跨分片交易处理算法，并且算法的开销应该和分片数量 n 无关。
单个分片的安全性保证
分片系统中，如果每个分片有独立工作的共识系统，也就是每个分片自己一条链，全网能最大获得的吞吐量的 n 倍提升。
共识系统的安全性依赖于出块权力的大多数 majority 是可信的，这个大多数在 PoW 系统中为 50%，在 BFT 系统中为 2/3，甚至更高。而当全网有 n 个独立工作的共识系统时，这时平均分到每一个分片的大多数变会降低到原来的 1/n。这样攻击这些分片中的共识系统的壁垒，对于 PoW 系统会降低到全网的 50/n % , 对于 BFT 系统则会降低到 1/(3n)。从而导致，仅需要非常低的成本，就可以攻击某一个特定的分片，例如构造双花攻击 double spend。而在一个分片系统中，只要有一个分片被攻击，其后果会藉由跨片交易迅速污染到其他的分片。
这就是为什么每一个分片系统都必须处理好安全问题，使得攻击特定分片的代价同攻击全网一样高。
分片方案的一些误区
分片的颗粒度不够细
分片的切分依据需要有足够的颗粒度，这样才能使得分片个数 n 取到足够大的值，并且不容易产生单点过热 hotspot。例如按照交易参与方的地址分，或者按照交易本身的 hash 值来分。这些是可行的方案，因为地址和交易的数量本身足够的多。
早期我还看到有些分片的方案按照业务来切分的，这是不可取的，颗粒度不够细，并且如果单个业务活跃度很高，需要更高的性能和容量，却无法获得分片系统所带来的提升。
在全网分片结构不发生改变的前提下 例如给定分片数量 n，分片的切分依据应该是确定的，和账簿状态无关的，并且是可以被简单计算的。
对于提交交易的轻量节点，可以根据交易内容唯一确定这个交易应该被发送到对应的某个分片。早期看到动态的调整地址归属，试图将经常交互的地址划分在同一个分片，从来减少跨分片交易发生的概率。这种做法是不切实际的，因为本质上同分片数量相矛盾。就以太坊 ERC20 的历史支付交易来看，在 4 个分片的时候，跨分片交易比例为 75%，在 32 个分片的时候，跨分片交易比例为 97% 按支付发起者的地址 , 平均随机划片。
鼓吹智能合约的计算复杂性
从前面的分析可以看到，CPU 处理并不是短板。不过我却在现实中看到若干方案，强调智能合约非常复杂，不仅 GPU 不够用，甚至还需要 GPU 乃至集群来计算。
在分片设计中，每个分片依旧承载全网全部的吞吐和容量，只是将交易的验证以及状态更新分开在各个分片做，并且之后引入一个 O(n^2) 的通讯量，将部分更新过的状态传播到其他分片。而事实上，即使是现实世界中的业务，各种交易、清算其实际计算一点都不复杂，就是一些加减乘除，而更多的工作量是在安全验证以及通讯上面。
当然我们可以假想一种奇特的应用，需要巨大的计算量来完成逻辑层面的交易验证和状态更新。这会使得 CPU 处理最先成为瓶颈，并且使得 GPU 加速变得可能有意义。不过我会很怀疑这样的应用 或者应用的这个部分 是不是区块链的真实需求，是不是应该由区块链来承载。
忽略容量瓶颈
近期我看到一些分片方案，认识到了性能瓶颈的本质是带宽的约束，并从这一点切入划分工作量，让每个分片负责全网的一部分交易，包括其相关的计算。
不过非常遗憾，我看到的这些方案没有切分和用户容量相关的负荷，每个分片仍旧需要维护全网所有用户所有 DApps 的状态。并且，由于所有用户状态需要每个分片都维护，导致某用户在特定分片中的更新必须广播到其他的分片，这将额外引入一个 O(n) 的通讯量。由于用户容量相关的负荷没有被切分，导致系统无法承载更多的用户和DApp在链上发生交互，从而使得性能的提升无法被充分利用，约束上层应用的发展。
忽略安全问题 被稀释的可信大多数
前面的分析已经提到，在分片之后可信大多数被稀释，攻击成本将极大下降。但是，到目前为止，我还没有看到有可靠的方案，能切实解决这个问题。
可能会有团队说，攻击成本即使降个几倍，也是很难攻击的，攻击要花很多资金，没人会真的去攻击。我不认同这种看法。
我的观点是，即使在不分片系统中，直接的暴力算力攻击已经屡有发生，更别说攻击成本被降低的分片系统了。如果我们不处理这个问题，只是祈祷没有人来攻击，那么在这样的系统设计之下，性能和安全就构成了直接的矛盾，越高的性能，即越多的分片，就会导致更低的攻击成本。这其中安全风险巨大。
双层设计
有不少分片方案，在各个独立的分片之外，引入了一个根链 有些叫做主链或母链，由其完成各个分片之间的沟通和协调，或者由其来保障各个分片的安全。
对于这类方案，需要比较细致的个例分析，不排除有可行的方案出现。但是总体上，当跨分片交易的比例很高的时候，根链有极大的可能成为系统的瓶颈。而利用根链作为安全保障的系统，其实本质上很可能就是一个单链系统。
在我看来，优异的分片设计方案，不应有分层的结构，而是各个分片应该是同质的，在功能上完全一致，地位上也完全平等。
下一篇《异步共识组 Asynchronized Consensus Zones》
欢迎大家通过我的微信公众号「王嘉平」和知乎专栏「去中心化数字世界随想」，就这个话题展开更多讨论。
