了解区块链的人应该都知道区块链如果要同时兼顾安全、效率及开放性，目前有两种层次的解决方案正在开发中。
首先，完成度比较高的是闪电网络（Lightning Network）、雷电网络（Raiden Network）这种第二层（layer 2）的解决方案。方法是把多数的交易转移到区块链下（off-chain），借此减轻区块链上（on-chain）的负担。
另外，属于第一层（layer 1）解决方案的分片技术（sharding），还在早期开发阶段，目的是直接提升区块链上（on-chain）的交易效率。今天我会告诉你分片技术是如何进行，以及预期可以达成什么效果。
要提升以太坊的整体交易速度，最直觉的第一层解决方案，当然不是听起来很吓人的分片技术。而是直接多创建几个以太坊出来即可。
换句话说，现在以太坊每秒处理 6 笔交易（Transactions Per Second），那么只要创造 10 个以太坊出来，彼此相互沟通，不就可以每秒处理 60 笔交易了吗？
这不是我发明的烂点子，而是数据库（database）领域常用的方法，用来解决数据库读写效率低落的问题。数据库的用途是储存、读取资料，能够让使用者高效率的读写资料，就是一个好的数据库。
对数据库不熟悉的人，可以直接把数据库想像成PChome 24h 购物网站的物流仓库。能够快速的进货、出货的物流仓储，才是一个好的仓储管理。假设PChome 无法在24 小时内把商品送到北京，最直觉的方法就是在北京多建立一个物流仓库。哪个县市配送太慢，就去那个县市设立一个物流仓库，马上就可以解决问题。
不过，这个方法明显有三个障碍。首先，每个仓库的存货种类必须要相同，假如有北京的消费者要买护唇膏，结果只有广州的仓库有库存，那也无法在24 小时内到货。第二，这个方法必须耗费大量成本盖仓库，但是每盖一个仓库就只能快一点点，增加的效益有限。第三，不只盖仓库的成本，仓库人力也同样必须倍数扩增，否则反而服务水准下降。
要让配送效率有显著的进步，终究还是得回到仓储管理。同样道理套到数据库、区块链领域，也是完全适用。
光是新增几个一样的东西，很可能只是事倍功半。尤其是区块链安全性是由矿工所贡献的运算能力保护，如果新增了10 个以太坊，但是矿工运算能力没有同样增加10 倍，就等于是牺牲了10 倍的安全性，换取10 倍的效率。
所以，以太坊不是采取上述新建更多仓库的方法，而是反方向把一个以太坊切成好几个小片段的「分片技术（sharding）」。
分片技术：用既有资源改善规模化（scalability）问题
分片技术在数据库领域，就是把一个完整的数据库切分成几个小的片段数据库，让每个片段数据库都可以同时独立运行。
举例来说，下图就是一份存有4 笔资料的数据库，分片在这个例子内就是横向切割，让资料依然是依照相同的类别分类，但是每一份都变成小片段了。因此，未来我要找1、2 的数据就到上方的片段数据库找，要找3、4 就到下方的片段数据库找。
你可能会问，我可以纵向切割吗？可以。但是这样就让一个数据库变成两个不同的数据库，而不是一个数据库的「两个片段」，这反而可能降低了资料的读取、写入效率。因此，一个数据库应该如何切割最恰当，得根据资料的类型和使用情境单独设计，很难有一招打天下的方法。
数据库分片
那么在区块链上，分片技术能怎么解决区块链的规模化（scalability）问题呢？
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区块链目前的共识机制，是每一台电脑（full node）都必须花时间验证区块链上每一笔交易的正确性。如果你把交易想像成是学生缴交的作业，而电脑是批改作业的老师。现在区块链共识机制的做法，是每一位学生缴交的作业，都必须经过全校每一位老师的批改才行。
这种做法当然非常没有效率，只要作业量增加，全校每位老师就都得熬夜改作业了。这就是现在区块链上的交易量一增加，就会有很多排队等待被验证的交易出现的原因，也就是规模化（scalability）或效率问题。这种批改作业的机制，是为了确保每一份作业都没有改错，也就是确保区块链上的交易安全性足够。但是，你一定马上就能想到更有效率的方法。
如果现在全校有20,000 份作业，总共有1,000 位老师。原本每位老师都要看20,000 份作业，每份作业都被看过1,000 次。
但是，如果把全校1,000 位老师，每10 位分成一组，总共分成100 组彼此分工合作。每份作业只交给其中一组的10 位老师批改一次，其实每份作业仍然会被看过10 次，已经很难出错了。但是每位老师的工作量，就只剩下原本的百分之一。在这个简单的例子里面，每一组老师和他们所负责批改的作业，就是一个分片（shard）。
你可能会说，那为什么不每一位老师自成一组，那不是能分成更多组，就能更有效率吗？
当然。但是这就变成一个老师定生死的中心化系统，而不是多个老师互相制衡的去中心化系统。所以，每一个分片还是必须要有足够多位老师，来确保批改作业的正确性。又不用太多老师挤在同一组，导致资源的浪费。但也不能太少老师，导致区块链失去去中心化的特色。只要每一个分片独立运作，就可以兼顾效率、安全性及去中心化的特性。
总结来说，你可以将分片技术视为在足够的安全性前提之下，牺牲原本「多余的」安全性，来换取运作效率的方法。
分片技术的挑战
首要的考量是安全性。
以太坊在第一阶段，预计将整个以太坊切成100 个分片，也就是将老师分成100 组的意思。过去如果一个学生要作弊，他必须买通超过500 位老师（50%）以上，都将他的错误答案打勾。但是，现在这位作弊的学生只要知道自己的作业由哪一组老师批改，就只要买通那一组老师（1%）即可。
因此，分片技术必须要搭配一套随机分配（reshuffle）的机制，来避免这种作弊手段。只要老师不知道自己未来会被分配到哪一组，也就不知道会改哪位学生的作业，那就很难作弊。
除了安全性之外，第二个分片技术的重点是分片与分片之间的沟通（Cross-shard Communication）。
回到分片技术的最初目的，是要藉由区块链每一个分片的「独立运作」，来增加区块链的交易吞吐量。既然已经把老师分成100 组，那就希望跨组之间的互动少一点，否则我这组老师批改的作业还要跨组传给另一组老师批改一次，那就跟没有分组一样了。
之所以会有跨组的互动，是每一个分片内除了老师（collator）被切成好几个小组独立批改作业（transaction）之外，全校的学生（account）也被切成同样数量的分片。作业的举例有其极限，因为交易是得从一方帐户扣钱，另一方帐户增加钱。这时候两组老师的其中一方，得确认转出的帐户余额是否足够，另一方的老师得确认收到的钱是否已经提领。
因此，分片技术必须要设计一套安全的跨分片沟通机制（protocol），来确保一方有把钱付出去，另一方也有收到钱。但这样的跨分片协作也不能过度频繁，导致影响区块链的效率。
今天文章的重点在于解释分片技术是透过分组独立运作的方式，来解决区块链的规模化问题。分片技术正好跟我们一开始所说，多创建几个区块链的方法相反，是把一个区块链切成好几个小片段平行处理。在区块链矿工的运算能力维持不变的情况下，提升区块链的运作效率。
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