分片是如何解决区块链扩展性问题的？

Question

**摘要** - 分片是将区块链网络划分为多个独立部分的方法，每个部分并行处理交易以提高速度和性能。 - 该技术有助于减轻每个节点的负担，降低参与网络的成本，并增加每秒可以处理的交易数量。 - 分片伴随有安全风险，如对单一分片的控制攻击以及不同分片之间交易的复杂性。## 扩展问题 - 区块链最大的挑战区块链技术曾承诺将彻底改变我们管理数据和交换资产的方式。然而，当前的区块链网络正面临一个瓶颈：**处理能力过期**。这是区块链著名的“三难困境”中的一个要点——平衡可扩展性、安全性和去中心化这三个因素。与此同时，想要同时实现这三者仍然是一个难题，直到像分片这样的战略性解决方案出现。## Sharding是什么 - 通过分片来解决分片源于传统数据库管理，但被应用于区块链，目的明确：**分割工作**以免任何节点过载。关于本质，分片将区块链网络划分为更小的“片段”——每个片段都像一个独立的迷你区块链。这些片段可以同时处理交易和执行智能合约，而不必像传统系统那样相互等待。## 区块链数据处理 - 两种完全不同的方法要理解分片为什么重要，我们需要掌握区块链通常是如何运作的：**传统方法 (连续处理):** 每个区块链节点必须处理所有交易，存储所有数据，并验证每个区块。这确保了高安全性——每个节点都是区块链的完整副本。但代价是速度：当交易量增加时，网络会变慢，因为所有事情必须按顺序处理。**使用分片的处理方法 (并行处理):** 工作被拆分 - 节点A只需处理片段1，节点B只需处理片段2，等等。每个片段独立运行，允许多个交易同时进行。结果：速度显著提高，但复杂性也随之增加。### 横向分区与纵向分区 - 为什么区块链选择这种方式在数据库中有两种数据分割方式 - 横向和纵向 - 但区块链更倾向于使用横向分区 (horizontal partitioning) 进行分片：**横向分区：** 按行分割数据 - 每行进入一个不同的分段。例如，用户 A 的交易进入分段 1，用户 B 的交易进入分段 2。每个节点只需要一组完整的数据子集，而不被分割。**垂直分区：** 按列分割数据 - 一个节点保存名称，另一个节点保存余额等。此方法破坏数据的完整性，并使每个节点必须连接多个其他部分进行验证，增加了复杂性。**为什么横向分区优于区块链:**1. **更好的扩展性** - 每个分片可以独立处理交易，无需等待其他分片。2. **更去中心化** - 节点无需访问所有数据，减少资源需求，允许更多参与者3. **更好的安全性** - 每个分段仍然包含完整的交易数据，确保完整性，而不是将信息拆分。## Sharding 的实际利益### 交易速度暴涨代替逐步处理交易，分片允许在各个分片上并行处理。如果网络有64个分片，理论上可以处理比现在多64倍的交易。一个明显的例子：Zilliqa，一个使用分片的区块链网络，每秒处理数千笔交易。这足以支持大量用户而不造成拥堵。### 参与网络成本大幅下跌通常，成为验证者需要强大的计算机，因为必须存储整个区块链。使用分片技术，您只需存储一个分段 - 工作和成本显著减少。这使得网络实现了去中心化：不仅仅是那些拥有强大资源的人可以参与，任何拥有普通计算机的人也有机会成为验证者。### 网络性能全面提升在传统区块链中，随着越来越多的节点参与，网络会变得越来越慢，因为必须与所有人进行同步。但通过分片，新的节点可以参与到特定的分片中，而不是整个网络——总体性能不会受到影响，反而可能会提高。## 分片的限制 - 潜在风险### 进攻控制分段控制一个小段所需的计算能力远远低于控制整个网络。攻击者只需占据一个被称为“控制分段”的验证者(，就可以破坏或更改数据。这增加了与没有分片的区块链相比的攻击向量。) 各分段之间的交易非常复杂当您从段 A 发送资金到段 B 时，这两个段之间的协调变得复杂。如果管理不当，可能会出现“重复消费”的情况——您由于两个段彼此不知已确认交易，而两次花费同一个币。### 数据可用性故障如果一个分片中的验证者同时都离线，那个分片的数据将无法访问。这会导致整个网络中断，因为无法验证或处理该分片的交易。### 资源平衡困难分片需要复杂的资源平衡机制。如果没有正确实施，数据可能在各个分片之间分配不均，导致一个分片过载而另一个分片闲置。### 同步化当多个节点需要相互分享和更新信息时，网络延迟可能会增加。如果某个节点处理得慢，整个同步过程将会被拖延。## 以太坊正在将分片技术付诸实践以太坊选择分片并非偶然。在以太坊2.0 ###的升级计划中，也称为Eth2或Serenity(，分片是解决扩展问题的重要部分。目前，升级正在分阶段进行。最后阶段)Phase 2(将包括全面部署分片技术。以太坊的开发者希望这能减少网络拥堵，并降低网络目前所承受的交易成本。然而，以太坊也不急于行动。由于分片带来了许多安全性和去中心化的挑战，开发团队正在进行广泛的实验，并在完全部署之前仔细考虑，以确保没有漏洞。## 结论 - 区块链的未来可能依赖于分片分片技术体现了在克服区块链的三难困境方面的一次飞跃。尽管带来了新的复杂性，但在不牺牲去中心化的情况下提高速度的能力是一个巨大的承诺。不仅是以太坊，许多其他区块链也在探索分片。每当一个网络成功实施分片时，它不仅有助于该网络本身，还为整个区块链生态系统贡献了经验。但成功的关键在于持续的研究、开发和严格的测试 - 这正是以太坊等顶尖开发团队所做的。