目前而言，雖然走入現實技術和應用的區塊鏈正慢慢被普羅大眾接受，但離其廣泛應用顯然還有相當一段長的路要走，這其中，最大的一個障礙就是區塊鏈本身的響應速度問題。
越來越多的商家開始接觸、瞭解並接受用比特幣和以太坊等虛擬貨幣支付進行交易的概念，但如果真要將虛擬貨幣當成一種正規且通用的支付手段，並佔據跨境交易市場，它的效能和相應的技術基礎就需要達到Visa和Mastercard等這些人們早已習慣的傳統支付方式正面競爭的水平。
從現有的事實看，區塊鏈還太落後了。
目前區塊鏈的效能還無法滿足這一要求，比特幣每秒只能處理不到10筆交易，以太坊哪怕在最高峰時每秒也只能處理不到40筆交易，相比之下，Visa每秒處理的交易可達2000~5000筆，差距顯而易見。
目前多個區塊鏈專案已經在嘗試用不同手段解決區塊鏈的效能問題。以太坊提出了自己的擴容方案——以太坊2.0，但目前開發進度非常緩慢，擴容升級遙遙無期。
在區塊鏈領域，為了提升效能，通常需要犧牲其安全性或去中心化程度，這就是大家常說並被廣為接受的區塊鏈“不可能三角”理論。
分片技術作為最新的擴容方案，是唯一一個突破不可能三角的方向。區塊鏈的分片簡單來講，就是分而治之，將整個區塊鏈賬本橫向切分為更小的賬本。
其實，傳統的中心化資訊系統早已經開始使用分片技術，但直到近期，這一技術才開始被區塊鏈世界所重視。
Zilliqa可能是大家第一個想到的區塊鏈分片專案。
被稱作“高效能公鏈”的Zilliqa在測試網中實現了2828筆比交易每秒（TPS）的速度。需要注意的是，在分片系統中，TPS交易速度（TPS）會隨節點數量的增加而增加，Zilliqa的這個TPS數值是在3600個節點中獲得的。
在過去的一段時間裡，除了Zilliqa還有一些新專案也在利用分片技術開發高效能區塊鏈。
其中最令人期待的專案之一便是在過去一年裡潛心開發的公鏈Harmony。
作為下一代的開放式高效能公鏈，Harmony的願景是無縫連結數十億人的經濟運轉。為了達到這個目標，Harmony在區塊鏈協議層、網路層和系統層都做了大量創新。
是甚麼讓Harmony團隊在眾多公鏈專案中脫穎而出？讓我們來深度剖析一下Harmony與Zilliqa等專案到底有何不同。
State Sharding狀態分片技術
儘管都是打著分片技術的期號，但Harmony和Zilliqa的分片技術顯然有所差異。Zilliqa僅對網路和交易進行了分片，而Harmony則在這一基礎上，進一步對區塊鏈狀態進行了分片處理。
簡而言之，Zilliqa是將網路節點分到不同的分片，每個分片包含幾百個節點(即網路分片），這使得不同的交易可以被各分片同時處理（即交易分片）。然而，為了能夠處理跨片交易，每個分片的每個節點都需要儲存區塊鏈的整個賬本資料，這使得某些效能差的節點無法參加到網路中，進而減弱去中心化。
相比之下，Harmony對區塊鏈的賬本資料也做了進行了分片處理（即狀態分片），團隊將這種在分片技術中各方面突破的總和方案命名為“深度分片”。
深度分片，是包括對網路、交易和狀態的多層分片，同時在網路層的資料傳輸協議中，利用糾刪碼技術對區塊資料進行分片，使廣播者的網路壓力很小，再加上引入Kademlia路由協議，讓區塊資料能透過最短路徑傳輸到目的地，在此基礎上，還可以允許小節點的加入，最大限度地保證了去中心化程度。
PBFT Consensus Mechanism/PBFT共識機制
Zilliqa的共識機制被稱為PBFT(實用拜占庭容錯）協議。在這一協議裡，一個節點被選為“領導者”，其餘節點作為“驗證者”。每一次共識過程包括兩個階段：prepare（準備）和commit（確認）。在每個階段，領導者向所有驗證者廣播一個提議，所有驗證者收到提議後，再反過來將自己的投票意見廣播給其他人，最後每個驗證者都要計算所有收到的其他投票。
這個過程導致總訊息複雜度為O(n*n)，這裡n是總節點數。透過簡單的計算可知，這種演算法在幾百個節點的網路中並不實用。
Harmony 在 PBFT 演算法的基礎上進行了大量改良，創造出FBFT演算法（快速拜占庭演算法）。
在這個新的演算法中，驗證者不用廣播他們的投票，只需透過數字簽名的方式把投票發給領導者即可，領導者把收到的數字簽名合成為一個資料量位O(1)的多重簽名，再廣播出去，這使得整個共識過程的訊息複雜度從O(n*n)驟降到O(n)。
此外，驗證者的選取是透過PoS抵押代幣的機制完成的，想要成為驗證者的節點需要抵押一定數量的代幣才有權參與共識。PoS相比於PoW有節能高效的特點，在這點上，基於PoS的Harmony要比基於PoW的Zilliqa具有更多優勢。抵押代幣越多的節點，被選為領導者的機率越大，但恰恰因為抵押代幣越多，他們才不會輕易作惡，因為一旦被網路檢查到，他們的抵押代幣將會被全部沒收。
Distributed Randomness Generation/分散式隨機數生成
分片區塊鏈系統通常需要一個隨機的節點分配過程，目的是避免單一分片受到攻擊。這就需要生成一個隨機數來實現隨機的分片過程。隨機數本身需要具有完全不可預測，不可干擾的特性，這樣惡意節點就無法知道它將被分配到哪個分片。此外，這個隨機數的產生過程還需要快速並且可驗證。
在這個問題上，我們先看看Harmony白皮書裡提到的其他幾個分片專案方案的做法。
專案Omniledger採用的分散式隨機數產生協議叫RandHound，協議中會把所有參與的節點劃分成若干組，我們以c代表組數。這個協議的弱點在於它的複雜度為O(n*c*c)，對於節點眾多的區塊鏈系統來說，如此高的複雜度會使協議速度極慢。
RapidChain作為比Omniledger更新的分片專案設計，採用了基於Verifiable Secret Sharing(VSS)的分散式隨機數產生協議。雖然這個協議比RandHound快很多，但它並不安全，容易受到攻擊者的干擾和阻礙。
大家熟知的專案Algorand用到了Verifiable Random Function(VRF)作為隨機數，雖然它是基於密碼學裡重要的技術，但它不是分散式的協議，任何單一節點都可以獨自完成隨機數過程。
最後以太坊2.0採用了Verifiable Delay Function(VDF)的最新技術，可以大大提高分散式隨機數協議的安全性。
基於VRF和VDF的安全隨機數生成協議
正因為看到了以上幾種路徑的缺點，Harmony的分散式隨機數產生協議巧妙地結合了 VRF（可驗證隨機函式）+和VDF（可驗證延遲函式）的密碼學特性。
在這一協議裡，所有驗證者分別利用VRF計算自己的隨機數，併發給領導者。領導者收集一定數量的VRF隨機數結果，將他們合併之後，把結果進行VDF計算，最後產生的結果作為最終的隨機數。這樣的過程保證了惡意節點無法提前預測或干擾隨機數的結果，並且整個過程複雜度為O(n)，可以在短時間內完成最終隨機數的生成。
Kademlia Cross-shard Communication/基於Kademlia路由協議的跨片通訊
對基於分片的區塊鏈系統來說，尤為重要的一點在於如何處理跨片交易。Zilliqa依賴於它的主鏈來進行跨片間的交易處理。Omniledger的跨片交易需要靠使用者在片間傳遞訊息。RapidChain依靠片內節點的互相通訊來實現跨片交易。Harmony採用了類似於RapidChain的設計，利用片內節點自行相互通訊，但不止如此，Harmony還引入了Kademlia路由協議，這讓本來為O(n)的通訊複雜度降低為O(log(n))，大大減小了跨片交易的網路開銷。
在Kademlia路由協議中，每個節點維護一個記錄到其他分片距離的路由表。這個距離是根據分片ID的不同計算得到的。當一個分片內的節點需要發訊息給另一個分片，他不會盲目地廣播這個訊息給全網，而是根據路由表發給離目的地距離最短的分片的節點。有了這個高效的路由協議，訊息只會經過O(log(n))的分片就能抵達目標分片，而無需涉及所有O(n)的分片。
Beacon Chain/信標鏈
Harmony的分片架構包含一條信標鏈和多條分片鏈，每條分片鏈分別儲存一部分賬本資訊。
信標鏈本質上也是一個分片，但其具有兩個特殊功能：1.執行分散式隨機數協議；2.接受節點的抵押代幣。
此外，信標鏈對提升整個系統的安全性也能起到至關重要的作用。
在每條分片的新區塊被確認後，透過Kademlia路由協議，新區塊的區塊頭將被髮送給信標鏈。信標鏈驗證這個區塊頭的合法性之後，會把它新增到自己的鏈內，並廣播給全網。這樣，每個分片都可以輕鬆維護其他分片的區塊頭序列，方便對其他分片的資訊做Merkle驗證。
有了信標鏈的保護，攻擊者必須同時攻陷分片鏈和信標鏈才有可能進行雙花攻擊。不止如此，由於信標鏈在分片鏈區塊頭的廣播中起到了中樞的作用，所導致的網路開銷僅為O(n)的量級。設想一下，如果沒有信標鏈的幫助，每個分片都需要分別廣播它的區塊頭，那麼總體網路開銷將是O(n*n)，這極有可能造成網路阻塞，而透過信標鏈，Harmony則巧妙地避免了這個問題。
信標鏈與分片鏈雙層結構
Parting Thoughts/總結
可以看出，Harmony願景遠大，而一個遠大巨集大的願景是成功改變世界的起點開始。
在測試網中，Harmony利用44,000個節點跑出了驚人的118,000TPS的資料。誠然，好的技術也需要有好的落地場景和市場來檢驗，Harmony團隊在市場開發這方面也毫不遜色，相信他們會在不久的將來開拓出自己的市場。
除此之外更重要的是，Harmony是一個關注社群建設的專案，他們的開發者一直在Telegram和Discord上積極回答社群問題，並聽取建議。
最後宣告，這篇文章的撰寫主要基於Harmony的白皮書裡的內容，強烈推薦讀者親自看看他們的白皮書，可以學到很多分片技術的要點。
