分片是如何解決區塊鏈擴展性問題的？

Question

**摘要** - 分片是將區塊鏈網路劃分爲多個獨立部分的方法，每個部分並行處理交易以提高速度和性能。 - 該技術有助於減輕每個節點的負擔，降低參與網路的成本，並增加每秒可以處理的交易數量。 - 分片伴隨有安全風險，如對單一分片的控制攻擊以及不同分片之間交易的復雜性。## 擴展問題 - 區塊鏈最大的挑戰區塊鏈技術曾承諾將徹底改變我們管理數據和交換資產的方式。然而，當前的區塊鏈網路正面臨一個瓶頸：**處理能力過期**。這是區塊鏈著名的“三難困境”中的一個要點——平衡可擴展性、安全性和去中心化這三個因素。與此同時，想要同時實現這三者仍然是一個難題，直到像分片這樣的戰略性解決方案出現。## Sharding是什麼 - 通過分片來解決分片源於傳統數據庫管理，但被應用於區塊鏈，目的明確：**分割工作**以免任何節點過載。關於本質，分片將區塊鏈網路劃分爲更小的“片段”——每個片段都像一個獨立的迷你區塊鏈。這些片段可以同時處理交易和執行智能合約，而不必像傳統系統那樣相互等待。## 區塊鏈數據處理 - 兩種完全不同的方法要理解分片爲什麼重要，我們需要掌握區塊鏈通常是如何運作的：**傳統方法 (連續處理):** 每個區塊鏈節點必須處理所有交易，存儲所有數據，並驗證每個區塊。這確保了高安全性——每個節點都是區塊鏈的完整副本。但代價是速度：當交易量增加時，網路會變慢，因爲所有事情必須按順序處理。**使用分片的處理方法 (並行處理):** 工作被拆分 - 節點A只需處理片段1，節點B只需處理片段2，等等。每個片段獨立運行，允許多個交易同時進行。結果：速度顯著提高，但復雜性也隨之增加。### 橫向分區與縱向分區 - 爲什麼區塊鏈選擇這種方式在數據庫中有兩種數據分割方式 - 橫向和縱向 - 但區塊鏈更傾向於使用橫向分區 (horizontal partitioning) 進行分片：**橫向分區：** 按行分割數據 - 每行進入一個不同的分段。例如，用戶 A 的交易進入分段 1，用戶 B 的交易進入分段 2。每個節點只需要一組完整的數據子集，而不被分割。**垂直分區：** 按列分割數據 - 一個節點保存名稱，另一個節點保存餘額等。此方法破壞數據的完整性，並使每個節點必須連接多個其他部分進行驗證，增加了復雜性。**爲什麼橫向分區優於區塊鏈:**1. **更好的擴展性** - 每個分片可以獨立處理交易，無需等待其他分片。2. **更去中心化** - 節點無需訪問所有數據，減少資源需求，允許更多參與者3. **更好的安全性** - 每個分段仍然包含完整的交易數據，確保完整性，而不是將信息拆分。## Sharding 的實際利益### 交易速度暴漲代替逐步處理交易，分片允許在各個分片上並行處理。如果網路有64個分片，理論上可以處理比現在多64倍的交易。一個明顯的例子：Zilliqa，一個使用分片的區塊鏈網路，每秒處理數千筆交易。這足以支持大量用戶而不造成擁堵。### 參與網路成本大幅下跌通常，成爲驗證者需要強大的計算機，因爲必須存儲整個區塊鏈。使用分片技術，您只需存儲一個分段 - 工作和成本顯著減少。這使得網路實現了去中心化：不僅僅是那些擁有強大資源的人可以參與，任何擁有普通計算機的人也有機會成爲驗證者。### 網路性能全面提升在傳統區塊鏈中，隨着越來越多的節點參與，網路會變得越來越慢，因爲必須與所有人進行同步。但通過分片，新的節點可以參與到特定的分片中，而不是整個網路——總體性能不會受到影響，反而可能會提高。## 分片的限制 - 潛在風險### 進攻控制分段控制一個小段所需的計算能力遠遠低於控制整個網路。攻擊者只需佔據一個被稱爲“控制分段”的驗證者(，就可以破壞或更改數據。這增加了與沒有分片的區塊鏈相比的攻擊向量。) 各分段之間的交易非常復雜當您從段 A 發送資金到段 B 時，這兩個段之間的協調變得復雜。如果管理不當，可能會出現“重復消費”的情況——您由於兩個段彼此不知已確認交易，而兩次花費同一個幣。### 數據可用性故障如果一個分片中的驗證者同時都離線，那個分片的數據將無法訪問。這會導致整個網路中斷，因爲無法驗證或處理該分片的交易。### 資源平衡困難分片需要復雜的資源平衡機制。如果沒有正確實施，數據可能在各個分片之間分配不均，導致一個分片過載而另一個分片閒置。### 同步化當多個節點需要相互分享和更新信息時，網路延遲可能會增加。如果某個節點處理得慢，整個同步過程將會被拖延。## 以太坊正在將分片技術付諸實踐以太坊選擇分片並非偶然。在以太坊2.0 ###的升級計劃中，也稱爲Eth2或Serenity(，分片是解決擴展問題的重要部分。目前，升級正在分階段進行。最後階段)Phase 2(將包括全面部署分片技術。以太坊的開發者希望這能減少網路擁堵，並降低網路目前所承受的交易成本。然而，以太坊也不急於行動。由於分片帶來了許多安全性和去中心化的挑戰，開發團隊正在進行廣泛的實驗，並在完全部署之前仔細考慮，以確保沒有漏洞。## 結論 - 區塊鏈的未來可能依賴於分片分片技術體現了在克服區塊鏈的三難困境方面的一次飛躍。盡管帶來了新的復雜性，但在不犧牲去中心化的情況下提高速度的能力是一個巨大的承諾。不僅是以太坊，許多其他區塊鏈也在探索分片。每當一個網路成功實施分片時，它不僅有助於該網路本身，還爲整個區塊鏈生態系統貢獻了經驗。但成功的關鍵在於持續的研究、開發和嚴格的測試 - 這正是以太坊等頂尖開發團隊所做的。