zilliqa，第一个实现了分片技术提升性能的公链

分片的技术一直在区块量行业被提起，但以太网络的分片推进也是相当的缓慢。相反，Zilliqa，作为第一个使用了分片技术用来提升整体网络吞吐量的公链，已经上线了。在Zilliqa自己的测试网络上，有4个分片，每个分片600个节点，达到了支持每秒1400的交易容量，在加入更多分片和节点的情况下，达到了2800多的TPS。

官网：https://zilliqa.com
Zilliqa主要解决两方面的问题：

1. 提高公链性能。通过引入分片机制，使得公链的整体性能与分片和节点数保持线性增加的比例，从而解决现有公链性能差，无法支持大规模用户和应用的问题。
2. 解决公链（尤其是以太）智能合约适用性的问题。通过引入Scilla，一种新的智能合约语言，实现了偏向分布式计算应用的需求实现；并针对现有的solicit编写的智能合约出现的安全性问题，做了全面的优化。

这篇文章主要来解读一下Zilliqa的分片机制。

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Zilliqa的挖矿节点采用了PoW的形式，但PoW只是用来防止女巫攻击，以及生成节点的身份凭证，而不用做共识。其PoW使用了Ethash算法。Ethash算法使得使用ASIC专用矿机变得困难，从而可以让更多使用GPU的矿机加入挖矿节点，从而保证矿工的数量，进而保证安全。

Zilliqa区块链里面的“区块”有两层：

1. 第一层，叫DS Block，全称是directory service blocks。一个DS Block包含了将要参与交易区块共识的节点信息。
2. 第二层，就是普通的交易区块TX-Blocks。由在DS Block里指定的节点进行共识。

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Zilliqa的分片和共识机制如下：
1. DS Block的共识
一个目录服务委员会（directory service committee，简称 DS committee) 被选举出来，然后目录服务委员会将整个网络节点分片，并将每个节点分配到相应的分片中。

• 基于PoW₁算法，最先计算出一个合理的nonce值的节点，会提议一个新的DS Block的头信息（header），然后向其他的DS节点广播。
• 一旦2/3的其他DS节点接受了该header（通过签名），这个新的DS区块就被写入在了DS链上。
• 成功挖出DS区块的节点，将代替DS committee中最老的节点成为新的DS committee节点，并且在随后的DS节点的公式过程中充当了领导者（Leader）的角色。

2. 分片的产生
在DS committee确认后，分片开始了。

• 一个节点基于PoW₂算法，算出一个合理的nonce值后，将其广播到DS committee里的节点里。
• DS committee的领导者在收集到一定数量的PoW₂要求的nonce值的解决方案后，它会开启一个针对PoW₂结果的共识。假设整个网络需要L个分片，每个分片需要n₀个节点。被收集到的nonce的结果，会按照从小到大的结果排序，产生头n₀个nonce结果的节点被分配到第一个分片，然后依次分配。同一个分片中产生最大nonce结果的那个节点被作为该分片的领导者（leader）。
• 超过2/3的DS节点对于PoW₂结果产生共识后，DS committee的leader会产生一个被2/3的共识DS节点共同签名过的多签名证明。

DS节点会在一个公开信道（public channel）里面发布相关的信息，这些信息也是经过2/3以上的DS节点共识的。这些信息包括但不限于以下内容：

• DS节点的身份标记以及连接方式；
• 每个分片里的节点；
• 每个交易提交到不同分片的逻辑。

3. 交易处理

每个交易提交到不同分片的逻辑如下：
根据每个交易发送方地址的最后几位，通过(log ₂ L) + 1 的算法将交易分配到不同的L个分片中做验证。

注：由于交易是按照发送者的地址来决定进入哪个分片处理的，所以双花问题可以在一个分片中被处理并被发现

• 当交易被某个分片中的部分节点接收后，该交易被接收到的节点在分片里广播，直到被该分片的领导者所接收。该分片领导者将该交易打包在区块后，开始分片的共识流程。
• 一旦一个分片里区块的共识被2/3该分片的节点所签名，分片的领导者会将分片区块的头信息以及签名（包含了签署所有该分片区块的分片节点的签名）发送给DS committee的节点。
• DS committee的节点在收到该分片区块信息后，会将该分片区块信息广播，直到DS committee的领导者收到该信息。
• 当所有分片的分片区块信息被收到后，DS committee的领导者会将所有分片的区块组成"最终区块"。

4. 最终区块的共识

• 最终区块生成后，DS committee的领导者会主导另外一个共识流程。将该最终区块的头信息和签名信息向每个分片广播。
• 分片收到DS committee发出来的最终区块的广播后，首先通过掌握的DS节点的公钥验证该最终区块信息是否经过了DS committee的验证。
• 如果确实是经过了DS committee验证的，针对每一笔在最终区块里面列出的交易，在本分片掌握的交易信息里是否找得到。

• 如果交易信息不是在本分片的，那么交易发送者的账户在本分片会被暂时挂起，直到根据全局状态的更新会把该账号的挂起解除。
• 如果该交易是在本分片的，那么最终区块的数据项会被本区块掌握的交易信息填充，该交易账户的状态以及全局状态也会被更新。

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不管是在DS committee里面，还是在每个分片里面，共识机制都是PBFT，但加以了改进，利用数字签名，将PBFT需要的交流复杂度从O(n²)降低到了O(n)；并应用了植入了EC-Schnorr 多签方法，以及自定义的签名数位（bitmap）的方式，并将签名数据大小从O(n)降低到了O(1)。
Zilliqa的签名数位是指：通过一个数字B[i]，记录第i个节点是否签名。签名的话，B[i]=1，不然为0。

Zilliqa里面交易确认以及智能合约的运行也是需要消耗“gas”的。Zilliqa里面的gas用Zilliqa自己的通证ZIL来支付。每个参与交易区块共识的分片里面的节点（包括领导者），以及DS committee的共识节点（包括领导者）都能从区块里面的“gas”这个数据项指定的数字获得指定的ZIL的奖励。ZIL总量是210亿，会在10年内被“挖矿”出来，前4年大约挖出整体的80%，后6年则是20%。