分片是一種區塊鏈擴展技術，它將網絡劃分為更小的並行片段，稱為分片。每個分片都作為一個迷你區塊鏈運行，處理自己的交易和智能合約，而不依賴於主鏈來完成每項任務。這種分佈式設計允許整個網絡同時處理更多活動，從而提高速度和容量。
在本指南中，我們將解釋什麼是區塊鏈分片、類型、好處以及需要了解的所有其他重要細節。
1) 為什麼區塊鏈需要分片
大多數早期的區塊鏈都是由每個節點驗證每筆交易的安全性而構建的。雖然這種模型很可靠，但一旦成千上萬的用戶加入網絡，它就無法很好地擴展。添加的節點和交易越多，系統速度就越慢，從而導致確認時間更長和費用更高。
分片通過在多組節點之間分配驗證工作來解決這個問題。每個分片處理總工作負載的一部分，而不是讓所有節點處理相同的事務。
這種設計使區塊鏈保持去中心化但高效，支持更高的交易量而不會使系統超載。
2）分片在區塊鏈中的工作原理
在分片區塊鏈中，網絡的數據被水平分割，每個分片都包含自己的一組帳戶、合約和交易歷史記錄。這些分片同時處理活動，然後將更新發送到稱為信標或根鏈的中央協調鏈。
分片網絡中的每個節點都分配給一個分片，僅存儲完整數據的一小部分。這大大降低了參與網絡所需的存儲和計算要求。驗證器隨著時間的推移在分片之間輪換，提高安全性並防止任何組織永久控制分片。
並行事務處理
分片的主要優點是並行性。由於分片獨立運行，因此可以同時驗證多個事務，而不是等待單個全局隊列。與未分片系統中的幾十個事務相比，吞吐量顯著提高，通常以每秒數千個事務來衡量。
跨分片通信
為了保持網絡統一，分片必須通過協調機制安全地交換數據。當交易涉及不同分片上的賬戶時，系統使用跨分片通信協議來安全地路由信息。這可以防止雙重支出並確保所有分片都同意全局狀態。
3）區塊鏈分片的類型
開發人員根據他們想要優化的內容使用多種分片。每種方法都解決與存儲、計算和交易驗證相關的不同挑戰。三種主要類型是網絡、事務和狀態分片。
網絡分片
網絡分片將節點劃分為較小的組，以處理網絡事務的特定子集。每個分片組僅驗證其分配的任務，從而減少每個節點的工作負載並提高效率。這是最簡單、最常用的分片形式之一。
但是，網絡分片需要安全的驗證器分配，以防止惡意節點接管分片。隨機化和輪換機制有助於確保公平參與並維護網絡信任。
交易分片
在交易分片中，交易根據預定義規則（例如賬戶地址或智能合約標識符）進行分組，並由特定分片進行處理。這將相關數據保存在一起，並幫助網絡並行處理數千個交易。它對於用戶活躍度較高的區塊鏈特別有效。
狀態分片
狀態分片是最先進的形式，專注於分割區塊鏈存儲的數據本身。每個分片僅保留網絡完整狀態的一部分，例如帳戶餘額或智能合約信息。這種方法大大減少了每個節點的存儲需求並增強了可擴展性。
4) 分片的好處
分片的主要好處是可擴展性。通過同時處理跨分片的多個交易，網絡可以顯著提高吞吐量，同時保持較低的費用。這使得區塊鏈技術對於需要高交易量的金融服務、遊戲和企業應用程序更加實用。
分片還可以通過降低節點運營商的硬件要求來提高效率。由於每個節點存儲的數據較少，因此更多的用戶可以參與網絡驗證，而無需昂貴的設備。這有助於保持去中心化，同時擴大對生態系統的訪問。
5) 挑戰和安全風險
雖然分片提高了性能，但它帶來了新的技術挑戰。跨分片協調事務的需要增加了複雜性並增加了同步錯誤的機會。設計不當的系統可能會出現數據不匹配或延遲確認的問題。
安全性是另一個主要問題，因為每個分片代表網絡的較小子集。如果攻擊者在一個分片中控制足夠多的驗證器，他們就可以操縱其數據。區塊鏈開發人員通過輪換驗證器並使用加密隨機性來保護分片分配來應對這一問題。
6) 實踐中的分片示例
以太坊的路線圖包括名為 Danksharding 的重大升級，它擴展了其初始數據分片階段。 Danksharding 將允許以太坊高效處理大量數據，同時支持 Layer-2 rollup。這種混合方法旨在將可擴展性與強大的去中心化相結合。
NEAR Protocol 和 Zilliqa 等其他項目已經成功使用分片。 NEAR 採用根據網絡負載進行調整的動態分片，而 Zilliqa 是第一個使用基於分片的驗證來展示實際吞吐量增益的公共區塊鏈之一。
7) 分片與其他可擴展性解決方案
分片不同於鏈下擴展方法，例如匯總或側鏈。匯總處理主鏈外部的交易並定期將結果發回，而分片則重組基礎層本身。這使得分片成為永久增加網絡容量的基礎解決方案。
實際上，大多數區塊鏈都會結合這兩種方法。分片可以在核心級別處理大量數據，而第 2 層解決方案則管理特定於應用程序的工作負載。它們共同構成了一個能夠滿足全球需求的多層系統。
8) 區塊鏈分片的未來
隨著開發人員完善其設計並改進跨分片通信，分片不斷發展。以太坊 EIP-4844 中的 Proto-Danksharding 等即將推出的創新旨在使數據可用性更快、更便宜。這些更新為區塊鏈在網絡規模的廣泛採用奠定了基礎。
除了以太坊之外，對零知識證明和模塊化架構的研究可以進一步提高分片的效率。將分片與證明聚合或混合共識模型相結合可以解決長期存在的區塊鏈可擴展性、安全性和去中心化的三難困境。
關鍵要點
分片將區塊鏈分割成可以並行處理交易的更小的分片，從而大大提高了可擴展性。它可以在不犧牲去中心化的情況下實現更快的交易速度、更低的費用和更好的資源分配。然而，它也帶來了開發人員必須仔細解決的複雜協調和安全挑戰。
隨著以太坊、NEAR 和 Zilliqa 等項目不斷完善其實現，分片正在成為下一代區塊鏈設計的基石。未來的進步有望帶來更高的效率和靈活性，為全球可擴展的去中心化系統鋪平道路。
