6. TPS大賽介紹
網路分片、交易分片可以解決計算能力瓶頸，而狀態分片則一方面能夠解決計算能力、網路頻寬和儲存能力瓶頸，另一方面降低了需要驗證事務的節點的數量。因此狀態分片是最為理想化的分片方式。
2. 區塊鏈分片專案對比
當前使用區塊鏈分片技術的公鏈已有不少。我們把主流做分片/跨鏈的公鏈平臺做了以下對比:
從上圖看，分片專案的TPS都比較高，基本上已經可以滿足大部分的需求。但從拓展性看，除了QuarkChain外，其他分片專案對共識、虛擬機器、賬本模型、代幣經濟學的支援都比較單一。
我們把最近非常熱門的Polkadot，Cosmos與QuarkChain也進行比較，看看有何不同？這三個專案都涉及到鏈之間的互動，如果把以太坊升級到2.0(信標鏈，有多個分片也涉及到跨片互動)算上，我們可以把這4個放在一起做個簡單的對比。
從靈活性上看，Cosmos和QuarkChain上的子鏈(分片鏈)最為靈活，可以使用多種共識機制。Polkadot還是非常依賴於PoS的共識模型，包括parachain根據現在程式碼是不能隨意配置共識的，靈活性方面相對於夸克鏈來說，約束多一些。
從安全性上看，Cosmos的思路是每個鏈自己負責自己的安全，這裡面我們認為安全問題還是會發生。Polkadot跟我們QuarkChain一樣，會共享安全。
從互動性上看，四個專案都是由一箇中間人鏈來協調子鏈(分片鏈)之間的互動:以太坊2.0——信標鏈;QuarkChain——根鏈;Polkadot——RelayChain;Cosmos——Hub。
從開發進度上看，QuarkChain和Cosmos已經上線，以太坊2.0和Polkadot則還在開發中。
我們把上面的討論總結在一張表裡便於觀看：
3. 玻色子共識
共識機制是區塊鏈的根本，引入分片後，區塊鏈的共識機制也有了相應的變化。這裡我介紹一個非常重要的分片共識機制--玻色子共識。
玻色子共識是QuarkChain首次提出的通用分片共識框架，可以描述QuarkChain, Polkadot甚至eth2.0（還在設計中），並且在QuarkChain主網生產環境中執行良好。
具體而言，玻色子共識是一個基於單鏈共識基礎上的多分鏈（片）共識。他是一個雙層結構，分為根鏈（root chain）和分片（shard chains）。分片塊與單鏈相同，用於儲存交易資料，提高TPS和拓展性。根鏈塊中只儲存各個分片的區塊頭，用於做分片權威塊確認，保障整個系統（生態）的安全。
根鏈本身使用的共識機制可以根據需求進行選擇，如PoW/PoS/dPoS等。分片上的共識為根鏈優先原則+該分片自身的共識PoW/PoS/dPoS。不同分片所使用的分片自身共識可以不一樣。比如說分片1中使用了PoW，而分片2中使用DPoS。
什麼是根鏈優先原則？根鏈優先原則指的是當分片鏈出現分叉，系統需要在分叉中挑選最優分叉時，需要先對比兩個分叉對應的根鏈哪個更優（與根鏈共識相關），根鏈最優的分叉會勝出（不會關心分片區塊的優劣）。在根鏈優劣相同的情況下，再用分片自身的共識來比較分叉的優劣，選擇最優分叉。
根據上面的描述，如果要攻擊使用玻色子共識，必須要同時攻擊根鏈和分片才能起到作用。這使得攻擊難度大大增加。我們可以透過激勵機制（公鏈）或者根鏈保護機制（只允許部分可信節點出塊，聯盟鏈）來增加根鏈的安全，從而進一步保障整個系統的安全性。
玻色子共識有許多的優點：
1. 拓展性好，支援異構分片
2. 支援跨鏈、跨片交易
3. 安全複用，所有的分片都收到根鏈的保護，使得整個系統中每一個分片的安全性都很高，即使新加入的分片也會立即受到根鏈的保護。
對玻色子共識感興趣的朋友可以看看我們玻色子共識介紹文章：
http://kuaibao.qq.com/s/20180927G1JM1P00?refer=spider
玻色子共識如何對抗駭客攻擊，可以看看這篇文章：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/55842744
比較喜歡研究的朋友可以看看我們發的論文：
https://github.com/QuarkChain/pyQuarkChain/blob/master/papers/boson.pdf
該論文是借用數學的語言來描述玻色子共識，以及現有的單鏈共識。非常值得一看。
4. Go語言開發區塊鏈的優勢
區塊鏈首先需要非常高效的執行，主要是由於雜湊及加密演算法計算和大量的交易資料處理，傳播以及儲存等。區塊鏈需要網路程式設計，多平臺支援，程式碼複雜性高，需要高的可維護性和安全性保證。而go語言無論在執行和開發效率上都滿足了實現區塊鏈的技術要求。
首先，從執行效率上來說，go比解釋型語言的JavaScript和Python執行效率更高。Go可以直接在OS上執行，自然比Java等虛擬機器上執行的編譯型語言執行得更快，因此被用作開發Docker和EVM的語言。Go為分散式而生。使用Go構建的微服務可輕鬆擴充套件至數百萬個請求。Goroutine使得Go在語言層面支援併發，goroutine分配的初始棧大小為2k，比其他語言的執行緒輕量級得多，同時會根據執行狀況動態擴充套件或收縮。Go的runtime採用協作式排程，最大限度的發揮了多核機器的能力。
其次，從語言特性上來說，Go作為編譯型語言，錯誤會在編譯時出現並得到處理，避免執行中突然出現的錯誤，多人協作開發和維護更加安全可靠。編譯成可執行檔案後，部署非常方便，甚至支援跨平臺編譯執行。另一方面，Go兼具解釋性語言的優點：編譯時間短，啟動時間短，對於測試，部署和其他指令碼的開發和使用也很方便。Go的語法表達能力很強大，例如支援指標，閉包，物件導向，垃圾回收等，比同樣是編譯型語言的C開發效率更高，實現同樣功能的程式碼量少，維護更容易。
最後，從社群生態來看，go的谷歌背景和開源屬性吸引了越來越多的開發者：Go語法簡潔，易於開發人員學習和掌握，積累了越來越豐富的標準庫，特別是網路庫非常強大，如rpc，grpc等。Go內建強大的工具，如go fmt，go get, go build, go doc等, 其中go fmt使得程式碼格式統一，交流和維護方便。Go內嵌C支援，go程式碼也可以直接包含C程式碼，利用現有的豐富的C庫。
使用golang的區塊鏈專案如Hyperledger Fabric，go-ethereum為後來者提供了良好的架構正規化和底層模組，如rlp，rlpx，libp2p等，是被實踐檢驗過的開原始碼。使得用Go開發區塊鏈專案更加簡單。
使用go語言作為實現技術的還有Cosmos，Polkadot，Loom Network，Dero，GoChain，以及將go作為智慧合約語言的Hyperledger Fabric chaincode等。
5. Go實現區塊鏈分片
用go開發的分片專案有幾個，這裡我們以QuarkChain的go版本為例，講講QuarkChain是如何用go實現分片的。
· QuarkChain 的簡介
QuarkChain 是第一個成功實現狀態分片的公鏈，具有每秒十萬次以上的鏈上交易處理能力(100,000+TPS)，依靠對於分片功能的完善設計，在實現高吞吐能力的同時，實現了不同分片共識機制、賬本模型、交易模型和代幣經濟四個維度的可定製化，成為安全、去中心化、效率集於一身的靈活、高擴充套件性且方便使用的區塊鏈底層架構。整體設計除了效能還考慮到了特性上的延伸，支援跨鏈交易，多原生代幣，安全複用，協同挖礦和算力複用，以及含有權益的工作量證明（PoSW）等特性。
QuarkChain使用我們剛剛講的玻色子共識，使得每個分片都能能複用根鏈安全能力，並引入交稅機制，吸引大於50%全網算力來保證根鏈安全。QuarkChain還依靠獨創的帶有權益的工作量證明（PoSW）-- 融合了PoW和PoS的兩大特點，需要質押匹配挖礦算力的代幣作為保證金，拉高攻擊者成本，避免分片在開設早期因算力不足而遭到攻擊。
執行交易的分片層具有無限的擴充套件性和動態新增分片的能力，新加入的分片可以立即得到根鏈算力的保護。每個分片可以有自己的共識，也能夠在分片上發行自己的原生代幣，定義自己的智慧合約。也就是說我們現在看到的所謂“跨鏈、PoS、Defi”等等新概念，QuarkChain在設計之初就相容了這些功能。
· QuarkChain的架構
QuarkChain借鑑了中心化世界中大型分散式系統解決方案中常用到的cluster的概念，每個節點都是一個cluster。每個cluster中有一個master 服務和一個或多個Slave服務。master 服務中包含根鏈，並對外提供對外服務的JsonRPC介面和節點間通訊的P2P介面；Slave 服務中包含一個或多個分片。Master 服務和Slave 服務間、Slave服務與Slave服務間（跨鏈交易）透過GRPC介面進行通訊。
當前程式碼已經開源，可以從我們的Github（https://github.com/QuarkChain/goquarkchain）下載。
在程式碼中，cluster目錄下，master、slave服務以及他們共同需要的config、service和rpc模組。
· 分片間通訊
在區塊鏈中不同的節點透過P2P協議進行通訊，達成共識。在QuarkChain中，不同節點間的分片並不會建立P2P連線，因為當前P2P協議的連線並未到瓶頸，而那樣做會引入較高的複雜度。當前分片間的通訊是透過根鏈P2P層進行轉發。以下根鏈P2P訊息的結構體：
在訊息結構體中，我們新增了Metadata屬性，來表示訊息要傳送到的鏈（根鏈或者某個分片）。當根鏈收到訊息並確認要轉發的分片後，就直接轉發給對應的分片。在收到分片返回結果後將結果直接轉發給傳送該P2P請求訊息的節點（cluster）。整個過程中，根鏈不會對傳送內容（data）進行encode、decode以及驗證操作，消耗很低，因此能夠滿足大量分片的轉發工作。
為了完成相應的分片間同步，我們也相應的增加了分片操作碼：
· 異構分片的支援
在區塊鏈中最重要的幾個object便是交易（transaction），區塊頭（header），區塊（block），區塊鏈（block chain）。而異構分片意味著這些object的定義以及對應的處理邏輯都有可能不同。但與此同時，區塊鏈要處理流程都是大同小異的。因此我們給這些object定義了相應的介面。
以下定義了IHeader， IBlock， IHashable：
以下是交易的定義，在交易的定義中，透過TxType欄位標明該交易的型別是Evm型別還是UTXO型別等，並在編解碼時根據不同的型別做相應的操作。
在區塊鏈的操作同步（sync）、交易執行（process）、驗證（verification）、共識（consensus）都定義了相應的介面，而這些介面方法都會接收IHeader/IBlock作為引數。這使得新增新的異構分片、交易型別（account、utxo），共識演算法、VM變得模組化，靈活可拓展。
· 跨片交易
QuarkChain特性使得使用者在每個分片中都有一個地址，因此跨片交易的流程分為簡單的兩步：
1. 餘額提取：此操作從使用者A的餘額中提取代幣，代幣數量等於轉賬金額+預留交易費（gasPrice*startGas）。此操作發生在分片X中。
2. 執行/退款：對於餘額轉賬，執行操作會增加使用者B的餘額；或者對於訪問智慧合約交易，執行操作會執行智慧合約C的程式碼。完成轉賬/智慧合約呼叫後，計算實際的交易費用，並將剩餘的交易費用（預留-實際）退還給使用者A在Y分片的地址。這個操作發生在Y分片。
程式碼實現方面，當from shard 部分執行結束後，跨鏈交易會被髮送到本cluster中的to 分片上，to 分片會將其儲存。當包含該交易from部分的區塊被root block確認後，to分片對餘額進行轉移，或者呼叫智慧合約。
目前我們的go版本已經開源，歡迎大家去下載體驗我們的程式碼，給我提建議。
