[发明专利]一种区块链动态分片方法及系统

说明书

本发明提出一种区块链动态分片方法及系统，支持不同的分片策略，提出了地址换片操作的流程，并通过机制设计保证换片操作的原子性，属于区块链扩展性研究技术领域。通过地址换片，将大大减少分片间的跨片交易比例，较长时间保持分片系统的最优状态，从而降低跨片操作的性能损耗，提升了分片系统的交易处理性能。

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，并特别涉及一种区块链动态分片机制。

背景技术

区块链是一种以密码学算法为基础的大型防篡改分布式和开放性网络账本技术，使得在不可信环境中方便快捷地进行价值转移成为可能，被视为构筑价值互联网的基石。随着社会经济的发展，区块链凭借其多方参与、公开透明、不可篡改、有效溯源、灵活可编程等方面的优势崭露头角，人们逐渐意识到区块链技术的潜力，并将该技术逐步应用于金融、结算、溯源等工业级应用，区块链技术有望在诸多行业触发根本性变革。然而，区块链技术目前面临着严重的性能瓶颈，运行全节点负担沉重，每秒处理事物 (TPS) 能力低下，远低于实际应用需求，限制了其在现实世界的大规模发展和应用。学术界和产业界表明，不解决扩展性技术瓶颈，区块链很难真正出现落地项目。

广受关注的以太坊项目每秒仅 15 笔交易，待处理交易在区块链网络中大量囤积。然而，VISA 跨境支付系统平均每秒处理 2000 笔交易，最高可达 6.5 万笔交易；支付宝双十一期间能支持最高每秒54.6万笔交易支付；快手与 2020 年赞助春晚达到 3 亿日活量，红包总金额达到 10 亿。目前，区块链系统的事物处理能力远远无法满足工业级应用的交易需求。

分片是为了增加数据库存储量而设计的一种数据库管理技术，现已与共识机制一起应用于区块链，是区块链链上扩容方案的主要内容。区块链分片技术将区块链网络按照一定的规则，通常是按照地址空间聚类，将网络分成大小几乎相同的子区块链网络，每个分片只处理本分片内的交易行为。这使得并行计算成为可能，从而增加了整个区块链的吞吐量。在这个系统中，某些节点将只处理某些分片的事务，这使得所有分片上处理的事务的总吞吐量，要比系统中只拥有一个主分片的单个分片要高得多。分片技术将多个区块链并行发起，成倍提升了区块链的吞吐量，例如，以太坊2.0 分片、Zilliqa分片和MultiVac分片都是分片扩容方案中广受关注的项目，分片技术在并行化上的出色表现使得其成为优秀的扩容方案之一。然而现有分片技术囿于地址分片，分片一旦确定，任意节点在其生命周期内都属于同一分片，节点固化于某一分片，无法适应其交易需求随机变化这一特点，将导致大量跨片交易交易发生。由于跨片交易处理的计算复杂度及开销远高于片内交易，这将使得系统通量的提升受到制约。

目前，国内外的研究中，提高区块链通量的方案主要分为链上扩容和链外扩容两种。显然，两种类型的方案互相兼容，在链上扩容方案的基础上增加链下扩容方案，相辅相成，共同提高区块链的扩展性。

链上扩容方案：之所以称为链上扩容，是因为它使所有交易保持在基础链上，并且该方法旨在提高基础链本身的吞吐量。链上扩容包含共识层、数据层和分片三类扩容方案，对于共识层的改进，学术界和工业届试图通过将原有共识替换为更快速的共识方法，实现通量的提升，例如，BFT类共识，以节点间合作方式替换竞争性的POW类共识，避免了竞争出块时的算力浪费，但提升了底层协议的复杂度，共识步骤繁多；混合类共识，学术界和产业界提出了多种共识方案混合的类型，最受广泛关注的是POW共识与BFT类结合，但混合共识还未有工程实现，处于提案设计阶段；数据层修改区块结构，例如，BCH区块大小增加到32M，BSV将区块大小提升到128M。虽然单区块能容纳更多的而信息，但增加了网络传输的负担；共识层和数据层两类扩容方案在落地到工业应用方面都面临着巨大的挑战。