Page 144 - 《软件学报》2026年第1期

苏琳萱 等: 区块链状态分片技术综述 141

系统的吞吐量 (TPS) 以及存储效率无法得到有效提升. 具体表现如下.
(1) 系统吞吐量: 比特币和以太坊的吞吐量分别约为 7 和 20 TPS [17,18] , 而目前的大型中心化交易处理系统的吞
吐量可达上千 TPS [19] .
(2) 系统存储效率: 全副本存储机制导致区块链系统存储效率极低, 系统有效数据量与总存储量之比为 1/N, 其
中 N 为节点数量. 截至 2024 年 9 月 22 日, 比特币数据规模已达到 419.50 GB [20] , 网络节点数量已超过 10 000 个 [21] ,
这意味着系统需要消耗 TB 级存储空间来维护仅约 400 GB 的有效数据.
区块链可扩展性问题的根源在于其固有的机制设计. 传统区块链作为全复制系统, 要求每个节点都存储完整
的区块链数据, 并参与每笔交易的验证和共识过程. 随着交易量的增长, 系统的存储开销急剧增加. 其次, 网络规模
的扩大也显著增加了系统通信开销和共识复杂度, 限制了系统吞吐量.
为了提升区块链系统的可扩展性, 近年来研究人员提出了多种解决方案, 主要包括 Layer1 协议层的改进和
Layer2 的扩展技术 [22] . Layer1 解决方案通过直接优化区块链的基础协议来提升系统性能, 例如优化共识算法 [23,24] 、
增加区块大小、缩短出块时间等 [25] , 代表技术包括分片技术 [26] 和 DAG 分布式账本 [27,28] . Layer2 解决方案则是在
不改变主链的前提下, 将区块链部分计算和存储压力转移至链下或侧链上 [29] , 以提高系统可扩展性, 典型的例子
包括比特币的闪电网络 [30] 和以太坊的 Rollups [31] . 其中, 区块链分片技术通过将交易和状态数据划分至不同分片并
行处理和维护, 有效解决了区块链扩展性瓶颈. 该技术显著降低了系统的通信、计算和存储开销, 使系统在大规模
网络中依然保持高效运行, 因此被视为最具前景的区块链扩容方案之一.
1.2 区块链分片技术
区块链分片技术是提升区块链系统可扩展性的重要手段. 早期的分片系统主要采用部分分片方案, 即仅对网
络和交易进行分片, 但节点仍需存储完整的全局状态数据. 这种方案通过交易并行处理提升了系统吞吐量, 且由于
所有节点存储完整状态, 交易验证简单, 系统协议设计也较为直观 (如图 2 所示).

共识节点 交易 状态 区块(包含交易)

系统交易 … … … … …

对等网络
分片1 分片2 分片1 分片2

数据存储
全局状态树 全部区块 全局状态树 全部区块 部分状态树相关区块 部分状态树相关区块
非分片系统 部分分片系统 K=2 全分片系统 K=2
图 2 传统区块链与区块链分片系统的工作机制对比

然而, 部分分片系统存在着存储效率低下等关键问题. 随着系统吞吐量的提升, 区块链系统的数据规模急剧增
加, 单个节点存储的全局状态数据规模不断上升, 导致了以下问题: (1) 全节点的存储门槛提高, 普通节点难以作为
全节点加入, 影响系统的去中心化性; (2) 系统的整体存储效率未得到优化, 无法充分发挥分片架构的优势. 为解决
上述问题, 大量研究提出了全分片系统, 在部分分片系统的基础上引入了状态分片技术, 其中每个分片只需存储部
分状态数据. 通过这种设计, 单个节点的存储负担得到有效减轻, 存储效率得以提升, 同时系统的去中心化特性得
以保持. 因此, 当前区块链分片技术的研究大多基于全分片系统.
1.2.1 全分片系统的工作机制
在区块链全分片系统中, 为了确保系统安全性和分片成员的随机性, 防止恶意节点集中在单个分片从而对其
进行长期操控, 系统需要对分片进行定期重组. 因此, 系统的运行通常按纪元 (epoch) 为周期展开, 每个纪元包括配
置和共识两个阶段, 具体可分为以下 6 个关键步骤 [26] .