一、引言

在区块链领域，可扩展性问题长期以来困扰着大多数公链的发展，比如，比特币经历过长达三年的扩容之争，以太坊曾因一个简单的“加密猫”游戏导致了网络拥堵。针对这一问题，业内提出了多种解决方案，包括通过扩大区块容量来进行短期扩容、采用部分牺牲去中心化的DPoS共识机制、使用不同于传统区块链的DAG结构、以及链下扩容（如子链和侧链）等方式。

其中，分片技术被认为是一种行之有效，且更为根本的解决方案。在2016年的开发者大会上，以太坊创始人Vitalik Buterin 发布了描述以太坊2.0的紫皮书，并提出了分片处理交易的构想。作为区块链扩容的重要方向，分片技术可以通过并行处理对算力资源进行动态分配，不仅提升了区块链网络的可扩展性，也为支持全球范围内的高频次交易奠定了技术基础。

当前区块链的扩容方案（图源：Gate Learn研究员Smarci 2024.11.10）

二、分片技术概述

1. 思路起源

分片技术最早源于数据库分区概念，初衷是将大型数据库分割成较小的数据片段，实现更高效的数据处理。而分片技术结合区块链的创想，首次提出于2015年，一对新加坡国立大学的师生 Prateek Saxena 和 Loi Luu 在国际安全会议CCS上发表了一篇论文，创新性地将区块链网络划分为可以同时处理交易的“碎片”，为解决公链的扩展性问题提供了全新思路。

而这一对师生，后来也将这一理论付诸了行动，发展出了第一个基于分片技术的落地项目 Zilliqa。Zilliqa采用pBFT和PoW混合共识机制，成为当时交易处理效率最高的公链。之后，分片技术也得到了以太坊创始人Vitalik Buterin的认可。2016年，以太坊提出了双层设计的分片方案，将以太坊2.0网络分为主链和分片链。主链通过验证管理合约（VMC）负责管理各个分片链的运作，而分片链则使用PoS共识机制打包交易数据并生成验证块。同时，VMC通过UTXO模型和收据树实现跨片之间的通信，确保了交易的有效性和跨片数据的流畅传递。

Ethereum 2.0 分片升级流程图

至此，随着分片技术的不断演进，一系列创新项目相继涌现，进一步推动了区块链在扩展性方面的突破。这些项目不仅探索了分片在处理速度和网络效率上的潜力，还为潜在的大规模商用提供了有力支持，有望未来推进区块链技术迈向高效能和广泛应用的新叙事。

2. 定义分片

分片技术是一种优化区块链架构的方法，通过将区块链网络划分为多个相互独立的“分片”来实现数据的并行处理。每个分片作为独立的处理单元，能够独立地执行交易和处理数据，从而有效地分担网络的计算和存储负担。通过这种方式，分片技术不仅显著提升了区块链网络的交易处理速度，还优化了节点的存储需求，使得每个节点不再需要维护整个区块链的完整数据，从而在不妥协网络整体安全性的前提下，增强区块链的可扩展性和性能，为大规模应用提供技术支持。

不断迭代的分片思路（图源：New Architectures and Methodologies for High Performance Sharding Blockchain）

3. 分片类型

分片技术主要分为三种类型：网络分片、交易分片和状态分片。其核心原理在于“化整为零，分而治之”，通过多个分片同时处理不同交易，再将结果汇总到主链，以提升区块链网络的整体性能。

1. 网络分片
   网络分片是最基础的分片形式，其他分片机制的实现均依赖于它。网络分片的关键在于保障安全性和防范恶意节点的攻击。具体而言，通过随机选择一组节点组成分片，在分片内部建立独立共识，用以处理分片内的交易。这种方法可以使网络并发量显著提升，多个分片同时处理不相关的交易，从而提高系统性能。Zilliqa是采用网络分片的典型例子，其系统结合了PoW和pBFT两种共识机制来提升速度。PoW用于防范女巫攻击，确保只有合法节点才能参与分片，而pBFT则用于快速达成交易共识，从而大幅提升确认速度。

2. 交易分片
   交易分片指的是将不同的交易分配到不同分片中处理，从而加快整个网络的交易处理速度。交易划分一般依据交易发起者的地址，以便将关联交易集中处理，以防止双重花费（即“双花”）。例如，如果一个地址向两个人发起双重交易，在同一个分片内，这两笔交易会被迅速识别并阻止双花行为；而在不同分片的情况下，分片间仍可通过通信来检测和拦截双花。采用UTXO模型可以进一步提升交易分片的效率，尽管该模型可能会导致大宗交易的拆分，但交易分片的成熟度已有较大提升，并允许多种共识机制并行工作。

3. 状态分片
   状态分片是最为复杂和挑战性最大的分片类型。其关键在于让每个分片仅维护自己内部的状态，而非整个区块链的全局状态，分散了数据存储需求。然而，当一笔跨分片的交易发生时，发起方和接收方所属的分片需共享交易状态，这就需要频繁的跨片通信，导致性能下降。此外，状态分片还面临数据一致性和容错的挑战：若某个分片遭到攻击并脱机，其数据验证将受到影响。解决此问题可能需要在每个节点备份全局状态，但这种备份要求又与状态分片“分布式存储”的初衷相悖，且可能带来中心化风险。

三、分片实现策略

1. 分片架构

分片架构设计是分片技术的核心组成部分，涵盖了主链与子链的设计理念，以及节点在分片内和分片之间的分配。在这种架构下，主链承担着网络共识与安全性的维护，类似于区块链的“母体”，负责协调各个子链的操作并确保全局一致性，而子链则是从主链派生出的独立区域，每个子链专注于处理特定类型的交易和智能合约，实现独立并行地提升性能效率和系统的可扩展性。

此外，节点在分片架构中的角色可分为两类，一类是子链内的节点，负责维护该分片的交易记录、状态，并参与共识机制以确保交易的有效性；另一类是跨子链的节点，负责在不同分片之间进行信息传递与状态更新，确保主链和子链之间的协调和同步。这种精细的角色划分有效地提升了网络资源的利用率，并增强了整体交易处理能力，为区块链网络的扩展和高效运行奠定了基础。

分片架构示例（图源：https://www.newcomputerworld.com/sharding/）

2. 随机抽样

随机抽样与选取机制是确保分片架构安全性与公正性的关键环节，关键在于如何随机选取节点以构建分片，并防止恶意攻击者集中控制某一分片。在节点选取过程中，为确保公平性和分散性，通常采用基于哈希的随机数生成算法来进行节点抽样，这种方法能够消除地理位置和历史行为的偏差，使得每个节点都有均等机会被选入不同的分片，增强了网络的去中心化性和抗审查性。

为防止攻击者通过控制部分节点而操纵某个分片，分片架构通常引入多重选取机制和动态节点分配策略。具体而言，当某个分片的节点数量达到设定阈值时，系统会自动触发分片重组，随机选取新节点加入，确保分片内的节点分布不会过于集中。此外，通过“分片重平衡”机制，定期调整节点在各个分片之间的分布，避免攻击者利用节点集中度来发起攻击或操控某一分片。这些机制有效降低了分片架构中单点故障的风险，并增强了网络对恶意攻击的防御能力。

随机抽样机制（图源：An Effective Sharding Consensus Algorithm for Blockchain Systems）

四、分片挑战及方案

1. 安全类问题

自适应敌手攻击是指攻击者利用对网络状态的了解，采取针对性手段对区块链网络进行攻击。这种攻击通常瞄准特定的分片，攻击者可能通过操控交易、篡改数据或影响交易确认过程来实现恶意目的。由于分片架构中每个分片的节点数量相对较少，攻击者更容易集中力量对某一分片进行恶意操作，从而加大了网络的安全风险。为了解决这一问题，必须采取有效措施保障分片完整性。

一种有效的解决方案是引入多重验证机制和跨分片共识协议。具体而言，每个分片内部应设立多个验证节点，这些节点必须通过共同协作来确认交易，增加了交易确认的难度和攻击的成本。此外，跨分片共识协议能够实现不同分片之间的信息共享与状态验证，确保各分片之间的协同与一致性，防止某一分片的恶意攻击对整个网络造成威胁。通过这些安全机制，能够实现有效地提高分片架构的抗攻击能力，减少自适应敌手攻击对区块链网络安全性带来的风险。

2. 数据可用困境

数据可用性是分片技术中面临的另一个重要挑战，随着分片技术的广泛应用，如何高效验证每个分片的数据既可访问又保持完整性，成为保障区块链网络运行稳定的关键问题。为了针对这一挑战，可以通过抽取部分样本数据，来快速验证整个数据集，从而评估相关区块数据的可访问性，这种方法减少了对全部数据进行检查的计算开销，提升了系统的整体效率。

此外，系统还需要建立有效的验证机制。例如，要求参与节点在生成新的区块时，提供对应的数据可用性证明，尤其是在处理跨分片交易时，实现各分片间数据的一致性和准确性。

五、案例分析

1. 以太坊 2.0分片技术

在以太坊的扩展性路线图中，Danksharding是一个革命性的升级，是以太坊2.0实现大规模可扩展性的核心技术之一。与传统分片方式不同，Danksharding的设计在于整合了“合并市场费用”的设计，并采用单一的区块提议者机制，简化了跨分片交易流程，具体技术实现将通过引入EIP-4844 和 proto-danksharding 机制，逐步过渡到全面分片的以太坊2.0。

Danksharding的独特之处在于其创新的结构设计。传统的分片方法将区块链网络分成多个并行的子链，每个子链独立处理交易并进行共识。然而，Danksharding通过采用单一的区块提议者，减少了传统分片中多个提议者所带来的复杂性和性能瓶颈。信标链（Beacon Chain）在这一过程中也发挥着关键作用，作为以太坊2.0的核心共识层，信标链负责管理和协调以太坊网络中的所有验证者，确保网络的安全性和一致性。在Danksharding的框架下，信标链不仅维护着验证者的状态，还负责跨分片的通信和数据同步，共同提升以太坊2.0的综合性能。

Danksharding的落实将通过多个阶段逐步推进。首先，proto-danksharding作为过渡阶段，在以太坊Cancun升级中引入，并通过EIP-4844来支持Rollup技术，将数据存储成本降低，为未来全面实施Danksharding打下基础。此外，Danksharding也将为以太坊提供更强的安全性，防止51%攻击等潜在的安全威胁，优化网络中的计算和存储需求，支持未来大规模去中心化应用。

以太坊2.0的分片技术(图源：Breaking Down ETH 2.0 - Sharding Explained )

2. Polkadot分片技术

Polkadot 的创新在于采用“平行链”架构实现分片，这种设计使不同区块链能够在同一个网络中独立运行，实现互操作性。每条平行链都由一个独立的区块链网络构成，用于处理自己的数据和交易，之后所有的平行链再通过中继链（Relay Chain）进行协调和管理，提供统一的共识机制和确保网络安全性，确保所有平行链之间的数据同步和一致性。此外，平行链不仅能够拥有独立的治理结构，还可以根据其需求定制功能，极大增强了网络的灵活性和可扩展性。

另一方面，Polkadot 的平行链架构很适用于去中心化应用（DApp）的高需求，尤其在DeFi、NFT和DAO等领域，其可扩展性和灵活性已经得到了验证。例如，通过Polkadot的平行链插槽竞拍机制，每条平行链都可以通过竞拍获得与中继链连接的权限，并且在租期内使用特定的计算资源，随着更多平行链的接入，Polkadot的网络能够实现更高的交易吞吐量和更低的交易费用。

在Polkadot 1.0版本中，平行链通过为期两年的竞拍系统决定核心资源的使用权，而在2.0版本中，核心资源分配变得更加灵活。未来，Polkadot有望通过更多平行链的接入和灵活的核心资源分配，成为一个高效的多链生态系统，支持各种去中心化应用的扩展和发展。

波卡链的平行架构及验证器分配示意图（图源：Polkadot v1.0）

3. NEAR分片技术

NEAR协议采用创新的Nightshade动态分片技术，使得系统能够根据网络需求灵活调整分片数量，从而在不同负载下保持高效稳定的运行。Nightshade架构目前已成功应用于NEAR主网，能够快速处理大量交易并支持DApp的构建，特别在高负载情况下表现优异。该技术的核心优势在于其动态分片特性，可以根据实时需求调整分片数量，进一步提升了网络的性能和可扩展性。

随着Phase 2升级的到来，NEAR将对现有架构进行重大改进，特别是引入了”Stateless Validation”无状态验证技术。这一创新使得NEAR验证节点不再需要本地存储分片状态，而是通过网络动态获取“状态见证”信息来完成验证。这种方式大幅提升了分片处理的效率，同时降低了验证节点对硬件的要求，使得更多参与者可以轻松成为验证者。未来，随着分片技术的不断优化，NEAR将能够支持更大规模的用户增长场景，并为去中心化应用的广泛应用提供架构基础。

NEAR协议通过Nightshade维护了一个统一的数据链，并将计算工作量分配到可管理的模块中（图源:What is NEAR Protocol? The Blockchain Operating System (BOS) | Tangem Blog）

4. TON分片技术

TON的架构采用了主链和工作链的多层结构，确保了网络的高效运行和跨链通信的顺畅。主链作为网络的核心账本，负责存储所有工作链的区块头并管理整体网络状态，涵盖协议升级、验证者选举等关键功能。而工作链则是TON网络中的独立子链，每条工作链专注于特定的应用场景或业务需求，从而实现了网络的灵活性与专业化。TON还特别强调跨链兼容性，支持与其他区块链网络的无缝交互，从而提升TON生态系统的整体实用性和不同区块链间的功能协作。

TON的最大创新之一是其无限分片范式，该技术通过动态调整分片的数量，使得网络能够根据交易负载的变化灵活地进行扩展。在高负载情况下，TON会细化分片以处理更多的交易；而在低负载时，分片会自动合并，以节省资源并提升整体效率。这种水平扩展的设计使得TON能够在不牺牲性能的情况下满足不断增长的交易需求，并能够稳定支持DeFi等高交易量应用场景。

此外，TON还引入了Hypercube技术，其传输数据所需的时间与区块链数量呈对数关系，意味着即使TON网络扩展至数百万条链，也不会影响其处理速度和响应时间。TON理论上最多支持约43亿条工作链，尽管目前实际运行的工作链仅为主链和基础链，这一创新的架构设计，展现了TON在高负载、高并发的应用环境中的巨大潜力，推动区块链技术的广泛应用。

TON协议的分片式数据处理架构（图源：Shards | The Open Network）

六、未来研究方向

1.分片技术的潜在发展方向：

• 跨链兼容性：随着分片技术的进步，链间通信将变得更加关键，尤其是在不同区块链网络间交换信息和资产的需求增加时。未来分片技术可能会进一步整合跨链通信协议，如Polkadot的中继链和Cosmos的IBC，以实现跨分片和跨链无缝交互。
• 增强安全性的分片治理：分片的动态调整和灵活的治理机制将成为未来研究重点。分片链在安全性和去中心化平衡方面仍面临挑战，因此一些新兴的安全性模型（如经济激励机制和分片验证者共享）将被探索，以降低分片链攻击的风险。
• 与隐私保护集成：在数据敏感应用中，分片和隐私保护的结合将至关重要。零知识证明和可信执行环境（TEE）可能会成为分片技术的组成部分，保证分片链在扩展时的数据安全。

2.其他区块链架构的可能整合与创新：

• 混合架构创新：未来的区块链架构可能会整合多种技术，如分片与DAG（有向无环图）或多层区块链架构的结合。多层链可以通过主链和侧链共同工作，以实现更高效的数据分片和跨链扩展。例如，主链主要负责安全性和共识，侧链则专注于更灵活的分片处理。
• 量子计算的适应性研究：随着量子计算的发展，区块链架构将逐渐考虑量子计算的兼容性。量子计算在加密和处理速度方面的优势可以潜在提升分片效率，同时也需防范量子计算对当前加密算法的威胁，特别是在分片链间通信和验证机制中的应用。
• AI与智能分片管理的结合：人工智能和机器学习可用于分片网络的自动化和自优化，特别是在分片链负载和流量预测、分片数量动态调整等方面。未来，AI驱动的分片管理将使区块链能够更加自适应地优化资源分配，提高整体网络效率和用户体验。

七、结论

分片技术将区块链网络分割为多个独立且可并行处理的“分片”，有效减轻了单一节点的负载，从而提升了系统的交易处理能力，正成为赋能区块链领域的核心关注点。从以太坊2.0的Danksharding再到TON的无限分片范式，越来越多的区块链网络已开始探索并实施分片技术，以应对交易吞吐量的巨大增长需求。同时，跨链兼容性和数据可用性等挑战也促进了新的技术创新，这些技术为不同区块链间的协作与资产流动提供了可能。

然而，分片技术的实现并非没有挑战。安全性、数据一致性、跨片通信的效率等问题的解决仍需做出更多突破，展望未来，分片技术将继续推动区块链走向高效能、广泛应用的新时代。而随着技术的不断成熟，分片架构将更加灵活和安全，能够支持更多的去中心化应用（DApp）和金融创新，最终为全球范围内的区块链生态系统带来更强的可持续性与创新性。