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以太坊的“分片”是指什么
写在文前：视频版本和文字版本略有不同，想要看我深情并茂演绎，请看视频版本(喵懂区块链22期|分片（Sharding）：以太坊太慢，“盘”他！)，思维逻辑怪，请看文案加长版。
最近以太坊由于君士坦丁堡升级（Constantinople）而出现了压倒性的积极走势，而以太坊的升级之路则犹如升级打怪一般，落入了rabbithole，谁也不知道这洞有多深。既然是“路漫漫其修远兮”，则把脚下的每一步走好走准，则成了至关重要的点。攻破这一难点之后，以太坊的下一技术难点—Sharding分片，则又被摆到了台面上。本期《喵懂区块链》会带大家走进让以太坊快起来的法宝— Sharding分片。
什么是sharding分片？
分片技术其实并不是什么新概念，起初是针对大型中心数据库提出的优化方案，具体来说就是将大型数据库中的数据划按照某种规则分成很多数据分片（shard），再将这些数据分片分别存放在不同的服务器中，以减小每个服务器的数据访问压力，从而提高整个数据库系统的性能。
我们举一个通俗的小例子：
比如我们平时经常使用的美团，滴滴打车等软件，就可以按照“城市”来进行分片，由于不同城市的数据不需要互通，就可以将不同城市的数据存放在不同数据库中，这样既可以把数据库服务器部署到离对应城市最近的节点上，还可以提高访问速度，何乐而不为呢？！
从上面的例子中，我大家应该对分片的概念有了初步了解，那么对应到区块链场景中来说，分片又是怎么样的呢？
以以太坊分片为例，在原有的单链系统中，公链整体的性能取决于单个节点的性能，进行分片之后，每个节点只需要承当全网部分工作，各个分片并行工作，按照Vitalik的话来说，each shard is like a separate galaxy每个分片都像是独立的小宇宙，这样效率自然噌噌噌提升！原本以太坊链全网TPS约为20，现在若增加到100个分片，那么全网TPS可以提升至2000，同理，全网容量也将提升至原来的100倍。
“每个节点只需要承担全网部分工作”，这就会引出几大问题，1.怎么确定这个节点是负责哪个分片的工作？2.哪些交易应该归类到哪些分片当中去？3.每个节点是否只需要储存自己所在分片的交易信息（账本）？
根据以上问题的实现与否，我们可以将分片依次分为三种类型：网络分片，交易分片，状态分片。
网络分片：如何将全网节点划分到不同分片当中去。
交易分片：如何将全网交易划分到不同分片当中去。
状态分片：如何让各个节点只维护各自分片内的账本，但又不影响整个系统的安全性。
主链和分片链的区别和联系？
分片的类型我们已经明白了，那么主链（Main chain）和分片链（shard chain）有什么不同呢？
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在主链中，我们知道记账的人叫做矿工，账本是存在区块当中，对应到分片链当中，则是Collator校对人和Collation校对块。
类似于区块的构成，Collation校对块也包含Collation header校对头和tansaction list具体的交易信息。
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对比下来，主链和分片链本身来说，还是大同小异，但是一但要把他们联系起来，问题就变得复杂了，这里我们举个通俗的小例子类比一下：
假设，
以太坊主链=温州银行
每个分片=温州银行分行
比如：
shard1（分片1）=温州银行（杭州分行）
Shard2（分片2）=温州银行（宁波分行）
……
在这个系统中，我们就会清晰看到几大问题：1.各大分行的账本如何汇总到总行里去？2.各大分行的账本如何互联？
对应到主链和分片链系统当中来，则变成了1.分片链和主链如何实现跨链链接？2.分片之间怎么互联？甚至分叉的场景要怎么办?
分片链和主链如何实现跨链链接？
为了将分片链加入到主链中，在主链上需要有一个叫做验证人管理员合约（Validator Manager Contract）VMC的特殊合约。VMC具体是这样的：
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所有的验证人把它们的保证金（stake）存入 VMC当中，这些验证人就会被收录在VMC的common validator pool验证人备选池中。系统将会“隔一段时间”根据stake权益的多少随机为每个分片抽取一名验证人，将各个分片的collation header校对头信息同步到主链中去。
这里的“隔一段时间”，我们需要额外解释一下：“时间”，也叫period周期，这到底是怎么确定的呢？答案是主要看开发人员在最终代码中的实现为准，比如说我们把周期定为5个区块，那么就意味着主链出5个区块，所有分片链分别出一个collation校对块，这就间接决定了分片链的出块时间。
这种随机的形式，使得验证者无法提前预测他们何时会成为验证者，也无法预测会成为哪个分片的验证人，从而预防作恶的可能性。
如果一旦发现我们的分片验证人作恶了，他的stake权益就会被剥夺。
跨分片通信（cross-shard communication）怎么办？
比如说一个转账方小A在分片M中，收款方小B在分片N中，小A可以通过主链这个桥梁，完成扣款操作，并创建一个带有ID的 receipt收据，代表着“自己已经完成了扣款操作”，收款方小B可以根据这个 receipt ID创建一个receipt-consuming收据消费交易，“消费”成功了之后，收款也就成功了。
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分片链分叉了怎么办？（fork choice rule）
在以往的分叉情况中，都是“以最长链为主链”，在分片当中，分叉规则是“以最长主链里面的最长分片链为有效分片链（the longest valid shard chain within the longest valid main chain）”。
什么意思呢？我们举个例子：
一条主链出现了分叉，一条分叉连续跟了两个区块，同时也跟了两个Collation校对块，另一条则是一个区块和一个校对块，那么很明显，第一条是有效链。
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接下来，第二条链又加了一个区块，变成两个区块和一个Collation校对块，依然很明显，第一条链仍然是有效链：
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接下来，第一条链上又加了一个区块，虽然这条链上只有一个Collation校对块，但是它的主链长度已经超过了第一条，那么第二条则成为了现在的有效链，这就是分片场景下的分叉规则，首先比较主链长度，再比较分片链长度！
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以太坊分片的实现是一个漫长的过程，就连Vitalik自己也说将会分阶段来逐步实现，分片到底能不能从理论走向实践，我们还是小小期待一下吧。
参考资料：
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2、成交后，则用户持有对应多空方向的仓位。全仓保证金下，用户的账户权益将根据最新成交价增加或减少;全仓模式下，当用户的账户权益，10杠杆下，合约账户权益不足保证金的10%，20倍杠杆下，BTC合约账户权益不足保证金的20%时，系统将会对这个仓位进行强制平仓。而逐仓保证金下，用户某合约某方向的仓位的未实现盈亏将根据最新成交价增加或减少，而保证金将不会变化。当用户某合约某方向的仓位的保证金率小于等于10%(10倍杠杆)或20%(20倍杠杆)时，系统将会对这个仓位进行强制平仓。
以太坊技术系列-以太坊共识机制
一、以太坊技术系列-以太坊共识机制
区块链的特点之一是去中心化。也就是节点会分布在各个地方组成分布式系统。各个节点需要对1个问题达成一致，理想情况下，只需要同步状态即可。
如上图所示 B节点将a=1=> a=2的状态同步给? ACDE四个节点，这时系统中状态变为a=2,但如果其中有恶意节点 AE收到通知后把a=1=>a=3修改为错误的节点，这个时候大家的状态就不一致了，此时需要共识机制使系统中得到1个唯一正确的状态。
如上面说到分布式系统存在恶意节点导致系统中状态不一致的情况有1个比较著名的虚拟问题-拜占庭将军问题。
拜占庭将军问题是指，N个将军去攻打一座城堡，如果大于一定数量的将军同时进攻则可以攻打成功，如果小于则进攻失败。将军中可能存在叛徒。
这个时候有2种情况
1.如果2个叛徒都在BCDE中，那么共识算法需要让其余2个将军听从A的正确决策进攻城堡。
2.如果A是1个叛徒，共识算法需要让BCDE中剩余的3个忠诚将军保持一致。
这个问题有很多种解法，大家有兴趣可以自行查阅(推荐学习PBFT)，我们重点来看看以太坊中目前正在使用的Nakamoto?共识和将要使用的?Casper Friendly Finality Gadget共识是如何解决拜占庭将军问题的。
说到Nakamoto共识和Casper Friendly Finality Gadget共识可能大家不太熟悉，但他们的部分组成应该都比较熟悉-POW(工作量证明)和POS(权益证明)。
POW或POS称之为Sybil抗性机制，为什么需要Sybil抗性机制呢，刚刚我们说到拜占庭将军问题，应该很容易看出恶意节点越多，达成正确共识的难度也就越大，Sybil攻击就是指1个攻击者可以伪装出大量节点来进行攻击，Sybil抗性是指抵御这种攻击能力。
POW通过让矿工或验证者投入算力，POS通过让验证者质押以太坊，如果攻击者要伪装多个节点攻击则必将投入大量的算力或资产，会导致攻击成本高于收益。在以太坊中保障的安全性是除非攻击者拿到整个系统51%算力或资产否则不可能进攻成功。
在解决完Sybil攻击后，通过选取系统中的最长链作为大家达成共识的链。
很多人平时为了简化将pow和pos认为是共识机制，这不够准确，但也说明了其重要作用，我们接下来分析pow和pos。
通过hash不可逆的特性，要求各个矿工不停地计算出某个值的hash符合某一特征，比如前多少位是000000，由于这个过程只能依赖不停的试错计算hash,所以是工作量证明。计算完成后其他节点验证的值符合hash特征非常容易验证。验证通过则成为成为合法区块(不一定是共识区块，需要在最长链中)。
以太坊中的挖矿算法用到2个数据集，1个小数据集cache,1个大数据集DAG。这2个数据随着区块链中区块增多慢慢变大，初始大小cache为16M DAG为1G。
我们先来看这2个数据集的生成过程
cache生成规则为有1个种子随机数seed，cache中第1个元素对seed取hash，后面数组中每个元素都是前1个元素取hash获得。
DAG生成规则为?找到cache中对应的元素后?根据元素中的值计算出下次要寻找的下标，循环256次后获得cache中最终需要的元素值进行hash计算得到DAG中元素的值。
然后我们再看看矿工如何进行挖矿以及轻节点如何验证
矿工挖矿的过程为，选择Nonce值映射到DAG中的1个item，通过item中的值计算出下次要找的下标，循环64次，得到最终item，将item中的值hash计算得到结果，结果和target比较，符合条件
则证明挖到区块，如果不符合则更换nonce继续挖矿。矿工在挖矿过程中需要将1G的DAG读取到内存中。
轻节点验证过程和矿工挖矿过程基本一致，
将块头里面的Nonce值映射到DAG中的1个item，然后通过cache数组计算出该item的值，通过item中的值计算出下次要找的下标，循环64次，得到最终item，将item中的值hash计算得到结果，结果和target比较，符合条件则验证通过。轻节点在验证过程中不需要将1G的DAG读取到内存中。每次用到DAG的item值都使用cache进行计算。
以太坊为什么需要这2个不同大小的数组进行辅助hash运算呢，直接进行hash运算会有什么问题？
如果只是进行重复计算会导致挖矿设备专业化，减少去中心化程度。因为我们日常使用的计算机内存和计算力是都需要的，如果挖矿只需要hash运算，挖矿设备则会设计地拥有超高算力，但对内存可以缩小到很小甚至没有。所以我们选用1G的大内存增加对内存访问的频率，增加挖矿设备对内存访问需求，从而更接近于我们日常使用的计算机。
我们看看在Nakamoto共识是如何解决拜占庭将军问题的。首先看看区块链中的拜占庭将军问题是什么？
区块链中需要达成一致的是哪条链为主链，虽然采用了最长链原则，但由于分叉问题，还是会带来拜占庭将军问题。
本来以太坊pow目标是抵抗51%以下的攻击，但如上图如果恶意节点沿着自己挖出的区块不断挖矿，由于主链上有分叉存在，恶意节点不需要达到51%算力就可以超过主链进而成为新的主链，为此以太坊使用了ghost协议给上图中的B1和C1也分配出块奖励，尽快合并到主链中，这样主链长度(按照合并后的总长度算，长度只是抽象概念，以太坊中按照区块权重累加)还是大于恶意节点自己挖矿的。
网络中的用户通过质押一定数量的以太坊成为验证者。每次系统从这些验证者从随机选择出区块创建者，其余验证者去验证创建出的区块是否合法。验证者会获得出块奖励，没有被选中的区块不进行验证则会被扣除一定质押币，如果进行错误验证则会被扣除全部质押币。
如上图，权益证明在每隔一定区块的地方设置一个检查点，对前面的区块进行验证，2/3验证者通过则验证通过，验证通过则该区块所在链成为最长合法链(不能被回滚)。
我们简化地只分析了权益证明本身，在以太坊中权益证明较为复杂的点在于和分片机制结合在一起时的运行流程，这部分会在后面单独将分片机制的一篇文章中详述。
本篇文章主要讨论了共识机制是解决分布式系统中的拜占庭将军问题，以及分析了以太坊中的共识机制一般包括最长链选择和一种sybil抗性机制(pow或pos)。重点分析了pow和pos的流程以及设计思想。后续将开始重点讨论智能合约的部分。
二、什么是以太坊的共识机制？
区块链技术的核心优势之一，就是能够在决策权高度分散的去中心化系统中，使得各节点高效地针对区块数据的有效性和一致性达成共识。由于点对点网络下存在较高的网络延迟，各个节点所观察到的事务先后顺序不可能完全一致。因此区块链系统需要设计一种机制，对在差不多时间内发生的事务的先后顺序进行共识，这种对一个时间窗口内的事务的先后顺序达成共识的算法被称为“共识机制”共识机制被用来决定区块链网络中的记账节点，并对交易信息进行确认和一致性同步。以太坊共识机制共有四个阶段，即Frontier（前沿）、Homestead（家园）、Metropolis（大都会）、Serenity（宁静）。以太坊前三个阶段采用的是POW共识机。第四个阶段将采用自己创建的POS机制，名为Casper投注共识，这种机制增加了惩罚机制，并基于POS的思想在记账节点中选取验证人。POW即工作量证明，是比特币系统中采用的共识机制。（本文主要讲解以太坊的共识机制）谈起Casper投注共识，要先说POS。POS即权益证明，主要特点以权益证明代替工作量证明，由具有最高权益的节点实现新块加入和获得激励收益。POS共识是为解决POW共识机制的资源浪费和安全性缺陷而提出的替代方案。它的本质是采用权益证明来代替POW中的基于哈希算力的工作量证明，是由系统中具有最高权益而非最高算力的节点获得区块记账权。权益体现为节点对特定数量货币的所有权，称为币龄或币天数（Coindays）。币龄是特定数量的币与其最后一次交易的时间长度的乘积，每次交易都将会消耗掉特定数量的币龄。例如某人在一笔交易中收到10个币后并持有10天，则获得100币龄；而后其花掉5个币后则消耗掉50币龄，显然采用POS共识机制的系统在特定时间点上的币龄总数是有限的，长期持币者更倾向于拥有更多币龄，因此币龄可视为其在POS系统中的权益。投注共识是以太坊下一代的共识机制Casper（鬼马小精灵）引入的一个全新概念，属于POS。Casper的共识是按区块达成的，而不像POS那样按链达成。为了防止验证人在不同的世界中提供不同的投注，还有一个简单严格的条款：如果你两次的投注序号一样，或者说你提交了一个无法让Casper依照合约处理的投注，你将失去所有保证金。从这一点可以看出，Casper与传统的POS不同的是，Casper有惩罚机制，这样非法节点通过恶意攻击网络不仅得不到交易费，而且还面临着保证金被没收的风险。Casper协议下的验证人需要完成出块和投注两个活动。具体如下：出块是一个独立于其他所有时间而发生的过程，验证人收集交易，当轮到他们的出块时间时，他们就制造一个区块，并签名，然后发送到网络上。投注的过程更为复杂一些，目前Casper默认的验证人策略被设计为模仿传统的拜占庭容错共识：观察其他的验证人如何投注，取33%处的值，向0或1进一步移动。而客户端确认当前状态的过程是这样的：一开始先下载所有的区块和投注，然后用上面的算法来形成自己的意见，但是不公布意见；它只是简单地按顺序在每个高度进行观察，如果一个区块的概率高于0.5就处理它，否则就跳过它。在处理所有的区块之后，所得到的状态就可以显示为区块链的“当前状态”。客户端还可以给出对于“最终确定”的主观看法：如果高度k之前的每个区块形成的意见高于99.999%或者低于0.001%，那么客户端可以认为前k个区块已经最终确定。
三、什么是以太坊?
重复问题见百度知道的一个回答，百度知道答案
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