分片背景
Sharding是以太坊提出的一种解决方案，用于解决区块链（如Plasma和Raiden网络）的可扩展性问题。虽然Plasma和Raiden网络是脱链解决方案，但Sharding是一种链上解决方案，它通过改变主链本身的协议来改善主链的性能。
应用链式解决方案需要主网络的硬分叉，而脱链解决方案通过在主链外添加其他系统来消除对硬分叉的需求。
此外，Sharding是基于Proof of Stake（PoS）算法设计的，以支持以太坊假设从工作证明（PoW）到PoS的过渡。
Sharding的发展路线图如下：
关于Sharding
首先，Sharding是一种链式解决方案，它将整个网络划分为按部分存储事务。然后并行处理这些事务以解决区块链可伸缩性问题。简而言之，数据被分割并存储到单独的分片中以进行处理。
“Sharding”这个概念源于数据库领域。在数据库的上下文中，分片是对表进行水平分区以处理和存储大量数据的过程。
同时，以太坊Sharding将主链分为k个分片。每个分片并行处理网络上的整个事务。结果，通过多个分片提高了网络的总吞吐量，这与当前主链的事务处理机制形成对比。例如，假设有100个交易。通过10个分片链，每个分片链可以平均同时处理10个事务。
分片链的特点
为了更好地理解分片，必须注意分片链的组件和关键术语。然而，随着研究的进展，Sharding相关的组件和术语将继续发生变化。但同样，本文基于第1阶段规范。
collation：collation与分片链主链中的块具有相同的作用。排序规则由排序规则标题和事务列表组成。排序规则标题包含构成排序规则的信息，并通过提议者的签名提交给主链。这里，事务列表是排序规则中的事务列表。
proposer：提议器本质上收集数据，建立一个建议，然后提交到的整理。此外，提案是未经验证的整理。
Collator：验证投标人提交的提案。对于每个时段，将一个分类器分配给一个分片，该分片在一段时间之前被随机选择。
Executor：将Collation标头传递给主链中的Sharding Manager Contract（SMC）。这会更改分片链的实际状态。（执行者出现在Sharding阶段3）
Period：分片链的整理标题到主链的提交期。这里的单位是主链中的块数。例如，如果PERIOD_LENGTH = 5，则生成5个块的是1个周期。
Lookahead period：在他们验证分片链中的整理之前，SMC伪随机分配Collator。同样，“Lookahead period”表示在某段时间之前每个整理器分配到哪个分片链。例如，如果LOOKAHEAD_PERIODS = 4，则表示在4个周期之前将collator分配给分片链。然后，Collator可以提前花时间下载分片链的状态信息。
Sharding设计框架
1) Main chain 主链
以太坊2.0的初始部署阶段，是不需要对PoW链进行共识更改的。相反的是，我们会向PoW链添加一个注册合约，以存入ETH。这个注册合约会通过beacon链发出一个带有各种参数的日志。它不会进行验证，而是把注册逻辑发送给beacon链。
2) Beacon chain 信标链
Beacon链是PoS系统的“主链”，beacon链的主要职责是：
存储并维护活跃、列队等待以及退出验证者的集合；
处理交联（交联是beacon链“了解”分片链更新状态的主要手段）；
处理逐块一致性，以及finality gadget；
为每个分片指定所选的区块提议者；
组织验证者进入委员会，对拟议的区块进行投票；
用共识规则对验证者实施奖励和处罚；
作为一个锚点，其中分片会注册它们的状态，以促进跨分片交易；
成为验证者的唯一机制，是往以太坊PoW主链发送一笔包含32 ETH 的交易至一个注册合约。
在注册器合约内质押的是 PoW 以太，获得的收据可以“创造”出PoS 以太。因为注册器合约无法撤销，所以 PoS 以太不能转回 PoW 以太，并且只有在验证者退出系统之时才能被退回到一个分片地址，而且 PoS 以太（在初期阶段）是不能交易的。双生以太并行的状况不会持续太久，除非发生以下情况[3]：
状态转换即将实现，参与者可以选择撤销注册器合约，PoS 以太可以转换成等价值的 PoW 以太。
PoW 链变成一个分片或者存储合约，PoW 以太会被逐渐淘汰，并在匹配地址上自动转换为 PoS 以太（向后兼容）。
3) Shard chain 分片链
分片链只有一小部分的证明必须记录在主链上。 分片链上的交易处于自己独立的空间中，分片验证人只需要验证他们所关注的分片。 分片链也通过 POS 机制依附于主链，以获得更高层次的共识（higher level ofconsensus）。
跨分片通信。利用 UTXO 模型，并通过在主链上进行交易和创建一个receipt，用户可以将以太存入一个指定分片。分片链上的用户可以给定 receipt ID 创建一个消费 receipt的交易，来花费该 receipt。
交易的执行流程
以太坊主链每个时间段新生成的区块，都会将在此时间点之前的五个区块打包在内。这也被成为“LookAhead”。每个validator都会借由LookAhead来确认在未来他们将负责验证的是哪个分片。也就是验证者是先得知会被划分到哪个分片的。在指定时间段内，每个区块的验证者都会面临新一轮的随机选择（共5个区块，共五个validator）。当到达主链出块时间，所有validator都会将已校验的交易发送到交易池中。检验发起者需要向交验者支付激励。交验者下载潜在的分片提案。验证者验证数据的有效性，并挑选当前分片中最新区块，然后将collation header提交给主链。由矿工负责挖矿生成新的主链的区块。
可以简单地这么认为，分片中的交易都会被装入“校对块” （collation）。 与侧链类似，校对器（collator）只有一小部分会被记录到主链
以太坊2.0将以太网络分为两层，上层为现有的以太坊（也叫主链），基本保持不变；下层为各个分片，他们相互独立，拥有不同的账户空间。各个分片延生属于自己的链，并将最新区块头发给主链。主链收集各个分片的区块头，然后生成主链区块。值得注意的是，在主链上只保存各个分片的区块头，具体交易并不在主链上保存。
Sharding Manager Contract（SMC）
SMC是一个智能合约，在分片链中发挥重要作用。SMC连接主链和分片链，管理整理器，提议器和整理树。SMC的作用对于分拆链参与主链是至关重要的。SMC的主要作用如下:
PoS系统：SMC管理整理者的存款。如果整理者在分片链中做错了什么，那么SMC就会削减一个人的存款。
伪随机抽样：SMC伪随机地将整理器分配给整理池中的分片链。通过防止collator知道将分配哪个分片，可以降低整理器攻击特定分片的可能性。
归类头验证：验证分片链提交的归类头。SMC通过addHeader函数进行验证，并且必须在启用排序规则之前进行验证。
交叉分片通信：对于分片到分片的事务传输，必须在主链中创建一个收据。并且SMC管理此收据。当分片链中的用户创建收据时，收据将通过SMC传递到另一个分片链，并用于传输分片事务。这将在Sharding阶段4中实施。
链式治理： SMC在链式治理中发挥着核心作用。Collators的投票通过SMC处理，以便这些投票可以在链上进行。
分片链机制过程
现在让我们看看分片链实际上是如何工作的。我希望您能够了解分片链的组件和术语，以了解分片链的机制过程。
（1）首先，想要成为提议者的网络参与者通过SMC存入余额。
（2）同样，希望成为整理者的网络参与者通过SMC存款。
（3）Collators定期检查SMC状态，看它们是否被选为collator。
（4）SMC将伪随机分配给每个分片链。他们在前瞻期间下载了分片的先前状态。每个整理者都会从提议者那里收到提议的投标书。
（5）然后，Proposer将提案提交给整理者，其中包括交易。（提案是指尚未验证的整理。当Collator选择提案时，提议者从交易发起人处收取交易费。
（6）整理者进行投票以核实每个提案中的交易是否有效。
（7）如果超过2/3的整理者批准该提案的交易有效，则该提议是有效的整理。
Collator调用add_header函数，并在投票后将新创建的校对头发送给SMC。通过SMC上传的校对标题连接到主链。
Sharding将在阶段过程中添加执行程序和跨分片事务等功能。首先，我们研究了最基本的分片链操作流程和激励结构。让我们看一下分片链的fork-choice规则。
分片链的分叉选择规则
与主链一样，选择在分片链中分支的链是一个问题。当前主链具有fork-choice规则，当分支出现时选择最长边。但是，分片链中的Fork-choice规则更复杂。
在分片的情况下，主链和分片链基本上都很长。也就是说，1）选择最长的分片链，2）主链需要较长的分片链。让我们仔细看看下图。
分片在阶段1中，分片链中的分叉选择规则取决于最长的主链。也就是说，当分支发生时，分片链的选择不应该只是最长的分片链，而应该是最长主链中最长的分片链。
包含块B3的主链是最长链。因此，可以看出块B3有效并且核对C3有效。得分是块或整理的高度。
当添加块B3'时，上述链和下面的链连接在一起。在这种情况下，根据主链中的fork选择规则，随机确定相切时的有效块。
此时，块B3被选择为有效块，并且属于B3的核对C3是有效核对。
新的块B4'被添加到底链。现在底链是最长的主链。在这种情况下，当我们比较整理C3和整理C2的分数时，整理C3分数>整理C2分数。这意味着具有排序规则C3的分片链是较长的分片链。但是，分片链的选择取决于主链。包括在最长主链中的核对是核对C2，而不是核对C3。因此，尽管核对C2的分数较低，但核对C2变为有效核对并被选择为有效的分片链。这是分片链的Fork-choice规则。
分片状态存储
当一个验证器被要求在给定的分片上创建一个块时，它只会被提前几分钟通知。
在Ethereum 1.0中，创建块需要访问整个状态才能验证事务。在这里，我们的目标是避免要求验证器存储整个系统的状态。相反，我们允许验证器创建块只需要知道状态根的排序规则，将责任推送到事务发送者以提供“见证数据”（即Merkle分支），以证明事务影响的帐户的预先状态，并提供在执行事务后计算后状态根的足够信息。
在无状态模型中，节点永远不需要存储数据（无论该数据是历史，状态还是其他）。实际上，提供数据的责任由离线链（例如由交易发送方）承担。
使用非无状态范式（non-stateless paradigm）来实现分片，理论上是可能的；然而，这需要： (i) 租用存储空间来保持存储的有界性；并且 (ii) 验证器需要使用 O(c) 的时间在一个分片中创建区块。
无状态客户端状态转换函数
通常，我们可以将传统的“有状态”客户端执行状态转换的函数描述为： stf(state, tx) -> state'（或 stf(state, block) -> state'）。在无状态客户端模型中，节点不保存状态，所以 apply_transaction 和 apply_block 可以写为：
apply_block(state_obj, witness, block) -> state_obj', reads, writes
这里，state_obj 是一个数据元组，包含了状态根和其他 O(1) 大小的状态数据（已使用的 gas、receipts、bloom filter 等等）；witness 就是见证人；block 就是区块的余下部分。其返回的输出是：
- 一个新的
state_obj包含了新的状态根和其他变量； - 从见证人那里读取的对象集合（用于区块创建）；和
- 为了组成新的状态树（state trie）而被创建的一组新的状态对象。
这使得函数是“单纯性的”（pure），仅处理小尺寸对象（small-sized objects）（相反的例子就是现行的以太坊状态数据，现在已经 数百G字节 ），从而使他们可以方便地在分片中使用。
详细说明：https://ethresear.ch/t/state-minimised-executions/748
什么是跨分片通信以及如何实现不同分片之间的事务传输？
在以太网上实现分片时，分片之间以及分片内将存在事务请求。分片之间的事务称为交叉分片通信。交叉分片通信也称为基于收据的通信，因为它是基于事务产生的收据实现的。这里的关键是收据中的merkle证明通过主链从一个分片移动到另一个分片。
让我们在下图中了解交叉分片通信的具体过程。首先，假设有两个分片（分片M，分片N），并且它从分片M的帐户A向分片N的帐户B发送交易。
1）通过将分片M的帐户A的余额减去100个硬币来制作收据。生成包含收据的merkle证明。
2）等待事务包含在排序规则中并包含在主链的块中。
3）当交易包含在主链的块中时，SMC将收据转移到分片N。分片N收到Receipt，确保收据未用过，并且将分片N的账户B的余额增加100个硬币。 然后花费收据。
4）分片N消耗收据并通过主链将其传递给分片M。分片M删除它持有的交易的收据。这样就完成了整个交易。
分片的当前状态是什么？[代码审查]
代码审查将分为六个部分。为了理解它们中的每一个，除核心部分外，其中一些被省略，检查以太坊github以获取详细代码。
下面描述运行分片链的过程。
已注册（Register_notary）
Proposer / Collator在特定时间段内分配给分片（get_member_of_committee ）
Collator在由提议者生成的提案上进行投票。
当收到一个三分之二表决归类创建（submitvote）
发送到SMC归类头（AddHeader）
投标/分页器关闭（Deregister_notary）
投标/分页器返回到存款（Release_notary）
代码审查将遵循上面的分片链操作流程。
分片链注册和伪随机抽样过程
首先，我将在全面的代码审查之前介绍一些概念。在这篇评论中，公证人的概念出现了。公证人意味着分片的参与者，并且是提议者和整理者的组合。公证人必须在池和注册表中注册才能履行其职责。
池和注册表是您应该了解的概念。池和注册表管理公证人的数据。池管理公证人的地址，并且Registry管理三个数据：Deregistered，pool_index和deposit。Deregistered是公证人被释放的期间，pool_index是公证人的索引，deposit是公证人的存款。公证人只能在取消注册期间的一段锁定期后收回押金。
最后，委员会是一组在特定时期放置在分片上的公证人。委员会注册通过SMC的伪随机抽样进行。公证人必须在委员会注册才能参与整理验证。
1. Register_notary
分片的公证登记从两次检查开始。首先，一个呼叫者的消息应该比指定存款（msg.value）（msg.sender）发送（NOTARY_DEPOSIT）和（2）其次，需要检查Msg.sender未在注册表中注册的值越大。（3 ）
2. Get_member_of_committee
现在注册了公证人，必须配置委员会以执行实际的整理验证。
Get_member_of_committee选择公证人在特定时间段对分片进行整理验证。Get_member_of_committee开始通过检查Shard_id的条件（6）的期间委员会的数目等于正确分片链的数目。
以下创建Sampled_index，它是SMC的伪随机采样。ethereum的智能合约没有随机功能。所以我们通过这个过程制作随机值。Sampled_index由三个值组成（Entropy_block_number，shard_id，index）。Entropy_block_number是前一时段的最后一个块。这三个值根据周期，分片和公证指数连续变化，从而实现伪随机抽样。（19〜30）
合并三个值后，使用sha3创建一个哈希值并除以sample_size。结果，选择与sampled_index相对应的值作为公证人委员会的成员。（32）
3. Submit_vote
Submitvote在委员会中对公证人进行投票，表明提案中包含的交易和数据有效。提出法定人数超过三分之二的提案作为整理，其标题提交给SMC。
Submitvote首先检查几个条件。重要的是检查Msg.sender是否是委员会成员（16）并确认Notary尚未投票（21）。公证人必须是委员会成员，不得重复投票。测试结束后，更新公证人的投票数。（24）这意味着公证人的投票得到反映。
每次调用Submitvote时，投票计数都会增加一。如果投票计数增加并且大于或等于法定人数（QUORUM_SIZE，委员会的三分之二或更多），则采用排序规则。（27~31）采用校对意味着准备好将校对头发送给SMC。
然后将整理期间更新为当前期间。最后，我们将处理并完成Submitvote事件（34-41）。
4. Add_header
Add_header将投票后生成的排序规则标头发送到主链中的SMC。公证人投票所采用的整理必须经过SMC验证才能通过验证。Add_header首先检查分片ID，句点和第一个提交的标题（7-12）
每个句点只能在一个分片中提交一个归类头。（12）
排序记录包含三个排序规则信息（chunk_root，proposer，is_elected）。（14-17）Chunk_root与块的transaction_root概念相同。Chunk_root包含有关排序规则中的事务的信息。
Records_updated_period记录当前时段。现在您已经提交了Collation标头，初始化current_vote（24）最后，您通过处理Addheader事件（27-30）完成
5. Deregister_notary
如果要停止排序规则验证，公证人会调用deregister_notary。Deregister_notary首先检查msg.sender是否在注册表中注册为公证人（2）
然后从公证人池中删除公证人。在公证池中，将索引值更改为none，并将公证池的大小减去1.（6到8）Notary注册表通过注销记录取消注册发生的时间段。
取消注册记录已在当前期间取消注册（10）最后，处理DeregisterNotary事件（12-13）
6. Release_notary
取消注册公证人后，可以通过调用release_notary来检索其实际存款。通过检查三个条件来启动Release_notary。最重要的是检查Msg.sender是否已经取消注册（3）只有已经取消注册的公证人才可以发布。在取消注册期间（4到5）的至少LOCKUP_LENGTH之后允许释放。
发布后，msg.sender中的所有信息都将从注册表中删除。已取消注册，pool_index和Msg.sender的存款均初始化为0（10-13）
记录了Msg.sender已从注册表中删除，并将存款返回给msg.sender（17）最后，通过处理ReleaseNotary事件（19-21）结束
参考资料
[1]V神相关twitter
[2]Beacon chain协议规范
[3]以太坊2.0分片链的详细概述
[4]区块链可扩展性解决方案4-1
[5]区块链可扩展性解决方案4-2
[6]Sharding doc
[7]其他资料
