如今，區(qū)塊鏈革命正與誕生于20世紀90年代的互聯(lián)網(wǎng)展開較量。Harmony公司的工程師們投入了數(shù)千個小時在區(qū)塊鏈研究和開發(fā)上，終極目標就是以更安全和去中心化的方式取代現(xiàn)有經(jīng)濟體系。

然而，盡管區(qū)塊鏈技術擁有著堪稱巨大的潛力，但比特幣、以太坊和其他大多數(shù)傳統(tǒng)的分布式區(qū)塊鏈網(wǎng)絡仍受到擴容這一根本問題的困擾。

區(qū)塊鏈擴容問題決定這一嶄新的技術世界能否真正變成現(xiàn)實，但可擴容本身又的確存在著難以突破的技術瓶頸，這一瓶頸包括技術自身的局限性，區(qū)塊大小，響應時間以及費用等等。

比特幣的擴容問題與它本身技術的局限性有關。當處理一個新交易時，每個節(jié)點都會在賬本記下相應信息。如此一來，隨著支付歷史信息的增多，區(qū)塊鏈體積也隨之增加，導致小節(jié)點無法正常運行。

另一擴容問題則是區(qū)塊的體積。最初，比特幣區(qū)塊鏈中每個區(qū)塊的容量為1Mb，每個區(qū)塊大約能存儲2020筆交易信息。隨著比特幣熱度的增加，近年來比特幣的交易數(shù)也成倍增加，導致比特幣網(wǎng)絡需要10分鐘才能確認一個區(qū)塊，為了驗證一筆未確認交易，通常需要等待很久。

另外，由于挖礦所需算力的日益增長，交易費用自然也水漲船高。

目前，許多新的區(qū)塊鏈項目正試圖提高交易處理速度（吞吐量），但像EOS和TRON中的dPoS，Quarkchain中的Rootchain等新解決方案都必須犧牲部分關鍵要素，譬如去中心化和安全性，才能顯著提升性能。

這樣的系統(tǒng)盡管運行過程十分迅速，但只能算是半中心化的系統(tǒng)，喪失了區(qū)塊鏈的核心理念——去中心化。

分片作為區(qū)塊鏈擴容的解決方案，可顯著提升網(wǎng)絡性能且不損失安全性和去中心化。

Harmony通過在區(qū)塊鏈中引入狀態(tài)分片來解決區(qū)塊鏈擴容問題——由于每個節(jié)點只需運行和存儲一部分區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)就可以完成交易，交易處理工作量被分攤，由此大大提高了區(qū)塊本身的可擴展性。

什么是狀態(tài)分片？假設有三個節(jié)點A、B、C和一個有待驗證的數(shù)據(jù)T，相比A、B、C每個節(jié)點都需要存儲和驗證整份數(shù)據(jù)T，狀態(tài)分片則將數(shù)據(jù)T分為三個部分：T1，T2和T3。之后，A，B和C將分別存儲和驗證一個部分。不難想象，這樣的網(wǎng)絡運行效率會成倍增長。

一個更簡單的解釋是——如果將美國劃分為不同的州， 雖然每個州（也就是分片）是美國（Harmony網(wǎng)絡）的一部分，但它們都有自己的特定法律，邊界和人口子集，只是通用一種語言和文化，是整個國家的一部分。

舉以太坊為例，以太坊網(wǎng)絡中的所有節(jié)點存儲著區(qū)塊鏈的所有狀態(tài)，包括賬戶余額，數(shù)據(jù)和智能合約代碼。然而隨著網(wǎng)絡規(guī)模不斷增加，gas費用越來越高，交易確認時間也越來越長，導致以太坊的實用價值大打折扣。

以太坊的性能上限是一臺計算機的處理速度

以太坊的性能無法隨著節(jié)點數(shù)量的增加而增加，相反，甚至還略有降低。分片則提供了突破這一技術瓶頸的捷徑：將子節(jié)點組成分片，每個分片分別處理不同交易，這樣系統(tǒng)就能同時處理許多交易，吞吐量自然顯著提高。

Zilliqa采用了網(wǎng)絡分片的方案，這一方案允許將網(wǎng)絡劃分為更小的節(jié)點群，每個節(jié)點群都可稱之為分片。簡單來說，假設一個有1000個節(jié)點的網(wǎng)絡，將網(wǎng)絡劃分為10個分片，每個分片由100個節(jié)點組成，如果每個分片每秒能處理10筆交易，那么所有分片加在一起可以每秒處理100筆交易。

但在Zilliqa中，每個節(jié)點必須保存整個區(qū)塊鏈的狀態(tài)才能成功處理交易，當區(qū)塊鏈體積逐漸增大，要保存完整的賬本會變得越來越困難，對節(jié)點設備的要求會快速提高，交易成本也隨之增加。

因此，Harmony使用的狀態(tài)分片無疑提供了一個更好的選擇——每個分片保存一部分區(qū)塊狀態(tài)。

Harmony如何避免1％攻擊：

雖然分片技術顯著地減少了交易完成時間，提高了交易處理量，但現(xiàn)階段，分片技術落地的最大障礙仍然是其潛在的安全問題，即“1%攻擊”。

在采用PoW的區(qū)塊鏈中，例如比特幣，當攻擊者擁有網(wǎng)絡的大部分哈希算力時，“51％攻擊”就有可能發(fā)生。一旦發(fā)生，攻擊者就可以“雙花”、索取所有獎勵，阻止交易等。

只是，想要擁有整個網(wǎng)絡的51％或者更多的哈希算力就需要大量的電力和設備。目前，在比特幣網(wǎng)絡上實施51％攻擊的成本是80億美元，每天電費則是1280萬美元。

假設一個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡被分成一百份，也就是一百個分片，每個分片擁有1％的哈希算力。那么，本質(zhì)上攻擊者只需要將他的哈希算力集中在某一單個分片上，就可以實現(xiàn)對該分片的控制，這無疑會影響到整體網(wǎng)絡的安全性。而同樣的問題也適用于PoS系統(tǒng)。

防止此類攻擊發(fā)生的一種有效方式是阻止攻擊者將他們的哈希算力或代幣權益集中在某一片分片上。

通過對PoS代幣權益進行切分和隨機抽樣分片，Harmony就能有效地消解攻擊者對某一分片所集中的權益，從而消除1%攻擊的可能性。

Harmony采用了全新的權益證明（PoS）方式去選擇驗證者

目前基于分片的區(qū)塊鏈項目比如Zilliqa或Quarkchain，使用了PoW來防止Sybil攻擊，但它們依然容易受到1％攻擊。相比之下，Harmony則在選擇一組共識驗證者組成一個分片時，通過可驗證隨機函數(shù)（VRF）和可驗證延遲函數(shù)（VDF）的雙重安全算法隨機選中驗證者（即節(jié)點），并均勻分配到每個分片中。這樣某個攻擊者就很難集中資源攻擊單一分片，即實施1%攻擊。

在Harmony的PoS設計中，區(qū)塊驗證者需要抵押一定數(shù)量的代幣，抵押的代幣數(shù)量將決定它會得到投票權數(shù)量。

驗證者投票權會被隨機分配到某一個或多個分片中，在預設好的一個周期（假設為一天）內(nèi)，驗證者可參與這一個或多個分片的共識，每個周期結束后，投票權將重新計算并分配。這個重新洗牌的過程能夠極大增大安全性，防止惡意攻擊者逐漸瓦解和賄賂單一分片內(nèi)的節(jié)點。

Harmony的PoS機制能夠確保：

– 攻擊者無法選擇自己想要加入的分片

– 攻擊者無法提前知道他們會被分配到哪片分片

如果每隔一段時間就重新洗牌，一個節(jié)點把分片的狀態(tài)下載下來需要多長時間？

當一個驗證者加入一個新的分片時，他們需要快速同步分片的數(shù)據(jù)才能驗證新的交易。

傳統(tǒng)下載區(qū)塊歷史記錄的過程，需要許多天去完全同步所有的歷史信息，而在Harmony的快速同步算法中，節(jié)點只需要下載此分片的區(qū)塊頭和上一周期的區(qū)塊數(shù)據(jù)即可開始驗證新交易，因此，節(jié)點會在驗證者重新分配的過程中迅速做好準備。

Harmony的跨片通信

當交易被分配在不同的分片中時，分片之間的高效溝通變得至關重要。如果分片間的溝通困難，如同一座座孤島，那整個分片系統(tǒng)就將失去意義。

舉個例子，假設要在一個分片協(xié)議網(wǎng)絡中預定一張火車車票和一家酒店，火車票交易在一個分片里，酒店交易則在另一個分片里，對于用戶來說，想要的結果是車票和酒店同時預訂成功，而不是一個成功，另一個失敗。

Harmony支持跨分片交易，分片之間不僅可以相互通信，還能同步執(zhí)行垮分片操作。

當每個新區(qū)塊被創(chuàng)建時，通過一個Kademlia路由協(xié)議將區(qū)塊鏈頭發(fā)送到信標鏈。在這種方式中，Harmony網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都保存了一張包含所有節(jié)點距離的路由表。

當一個來自分片A的消息要發(fā)送到分片B時，分片A中的節(jié)點將查閱路由表，并將消息發(fā)送往距離最近的節(jié)點， 這種方法可以確保信息只經(jīng)過最短路徑傳遞，并以最快的方式抵達目標分片。

與Zilliqa和Hashgraph等項目所使用的普通“Gossip廣播”相比，Kademlia路由協(xié)議從底層機制上減少了整體網(wǎng)絡負載。例如在Kademila設置中，擁有10，000，000個節(jié)點的網(wǎng)絡內(nèi)，任何子節(jié)點之間的通信，最多只需要大約20個傳播跌點（hops）。

Harmony與其他分片項目對比

注：Harmony使用的是拜占庭系列的共識算法，這種算法假定誠實節(jié)點的數(shù)量要達到2/3，才能保證系統(tǒng)的正確性。在PBFT（實用拜占庭容錯）的基礎上，Harmony調(diào)整了消息廣播方式，使其比PBFT更快更有效，并將這種算法命名為快速拜占庭容錯（FBFT）。

作為早期分片項目，Zilliqa的分片方案僅限于網(wǎng)絡和交易的分片。每個節(jié)點需要存儲所有區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的需求也讓Zilliqa對小節(jié)點并不友好。此外，基于PoW的簡單分片方案也讓Zilliqa更容易受到1％攻擊。

相比之下，Hamony協(xié)議里則采用了在研究和實踐中都被驗證過的技術突破，基于PoS的安全節(jié)點分配和狀態(tài)分片技術，讓整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)更安全的同時，也實現(xiàn)了真正的去中心化。