分片

什么是加密货币中的分片？

分片是一种区块链扩容方法，可将网络的数据、工作负载或状态划分为称为“分片”的较小部分。

每个分片仅处理整个网络活动的一部分，这有助于区块链处理更多交易并支持更多用户。

在加密货币领域，分片主要被视为一种提升可扩展性的方式，无需让每个节点都以相同方式处理每笔交易。

传统区块链通常要求许多节点存储、验证和更新同一整套完整数据。

这种设计可能安全且易于验证，但当网络需求增长时，也可能限制交易吞吐量。

分片尝试通过让不同的节点群组处理网络的不同部分来解决这一问题。

其目标是在保持强大去中心化和安全性的同时，让区块链系统更快、成本更低且效率更高。

分片并非在每条区块链上都以相同方式运行的单一功能。

不同协议可能采用网络分片、交易分片、状态分片、数据分片，或混合使用这些方法。

在现代加密货币讨论中，分片通常与 Ethereum 扩容、数据可用性、Rollup、Proto-Danksharding、Danksharding 及其他模块化区块链设计相关联。

分片的简单定义

分片是指将区块链拆分为更小的部分，使网络能够并行处理更多工作。

分片可以理解为区块链大型数据或处理系统中的一个区段。

分片区块链无需让每个验证者或节点管理所有内容，而是可以将不同职责分配给不同群组。

这可以减少每个节点承担的工作负载，并提升网络的总体容量。

简单来说，分片就像将一个很大的班级分成若干小组，让每组更快完成部分作业。

难点在于确保所有小组仍对最终结果达成一致，并遵循相同规则。

分片为何对区块链至关重要

分片很重要，因为可扩展性是加密货币面临的最大挑战之一。

每秒只能处理少量交易的区块链，在高需求时期可能变慢且成本上升。

当手续费上涨、确认时间延长时，用户可能会避免使用去中心化应用，或将活动转移至其他地方。

分片旨在提升网络容量，使更多用户能够与钱包、去中心化金融应用、游戏、支付工具和代币化资产进行交互。

它还支持一项目标，即让区块链基础设施能够长期服务于全球金融和数字系统。

不过，扩容不能以牺牲安全性为代价。

变得更快但更中心化的区块链，可能失去许多使公共加密网络具备价值的优势。

因此，优秀的分片设计必须在速度、成本、去中心化、验证者协调和数据可用性之间取得平衡。

分片如何运作

分片通过将区块链的工作负载划分为更小部分，并将这些部分分配给不同网络参与者来运作。

在基础分片设计中，一组验证者可能处理某个分片的交易，而另一组验证者则处理另一个分片的交易。

每个分片都可以更新自身负责的网络部分，而无需等待所有其他分片先完成全部工作。

这种并行处理可提升总吞吐量，因为网络不再局限于单一路径执行。

通常需要一个协调层来保持各分片之间的连接。

该层可能有助于分配验证者、记录分片输出、验证数据、管理跨分片通信，并保护网络免受攻击。

如果缺乏适当协调，分片可能彼此孤立或出现不一致。

强大的分片系统必须确保所有分片仍属于同一个安全的区块链生态系统。

分片的主要类型

网络分片

网络分片将点对点网络划分为更小的节点群组。

每个群组可能会更频繁地与负责相同分片的节点通信。

这可以降低通信开销，因为每个节点无需向其他所有节点发送每条消息。

网络分片可以提高效率，但必须谨慎设计，以避免在对等节点发现、数据传播和验证者协调方面出现薄弱环节。

交易分片

交易分片将交易处理分配至不同分片。

例如，一组账户的交易可能由一个分片处理，而另一组账户的交易由另一个分片处理。

这可以提高交易吞吐量，因为多个分片能够同时处理交易。

难点在于处理涉及不同分片上账户或智能合约的交易。

这些跨分片交易需要可靠的消息传递和结算规则。

状态分片

状态分片将区块链状态划分至多个分片。

状态包括账户余额、智能合约存储、应用数据及理解区块链当前状况所需的其他信息。

状态分片可以大幅减少每个节点必须存储的数据量。

它也是最难实现的分片形式之一，因为网络必须安全管理存储在不同分片中的状态之间的交互。

如果状态分片设计不佳，用户在跨分片交互时可能面临延迟、结果不一致或更高的安全风险。

数据分片

数据分片侧重于划分数据可用性责任，而非拆分所有交易执行。

该模型对 Ethereum 当前的扩容路线图尤为重要。

Ethereum 此前曾讨论分片链，但其当前路线图不再将传统分片链作为主要扩容方案。

相反，Ethereum 侧重于 Rollup、blob、数据可用性采样、Proto-Danksharding、Danksharding 及相关升级。

官方Ethereum Danksharding 路线图指出，分片链已不再属于路线图，Danksharding 则通过 blob 上的分布式数据采样实现。

分片与 Ethereum

Ethereum 是解释分片时最重要的案例之一，因为其路线图塑造了加密货币行业关于扩容的大量讨论。

在早期 Ethereum 计划中，分片意味着创建多条分片链以扩大网络容量。

随着时间推移，由于 Rollup 成为交易执行扩容的主要路径，路线图发生了变化。

Rollup 在 Ethereum 基础层之外处理交易，随后将压缩数据或证明发布回 Ethereum。

这使 Ethereum 能够专注于结算、安全性、共识和数据可用性，而由 Layer 2 系统承担大部分执行负载。

官方Ethereum 扩容路线图说明，Rollup 会向 Ethereum 提交交易数据，以便网络验证 Rollup 活动。

由于 Rollup 需要价格可负担的数据空间，Ethereum 的分片路线图如今聚焦于数据，而不是独立的执行分片链。

因此，现代 Ethereum 分片讨论经常使用 Proto-Danksharding、Danksharding、blob 和数据可用性采样等术语。

分片与 Proto-Danksharding

Proto-Danksharding 是通过 EIP-4844 引入的 Ethereum 扩容升级。

它新增了携带 blob 的交易，使 Rollup 能够更高效地向 Ethereum 发布临时数据。

blob 是一种大型数据对象，可用于 Rollup 数据可用性，而无需将相同信息永久存储在常规交易 calldata 中。

官方EIP-4844 规范将携带 blob 的交易描述为一种新交易格式，用于支持 Ethereum 的数据扩容路线图。

Proto-Danksharding 于 2024 年 3 月 13 日通过 Dencun 升级在 Ethereum 主网（Mainnet）上线。

官方Ethereum Dencun 常见问题说明，Proto-Danksharding 通过帮助在节点运营者之间分发 Rollup 数据，为完整 Danksharding 奠定基础。

Proto-Danksharding 不等同于完整分片。

它是一个中间步骤，能够降低数据成本，并为网络进行更大规模的数据可用性改进做好准备。

分片与 Danksharding

Danksharding 是 Ethereum 的长期数据分片设计。

它不同于传统分片链，因为它不会将 Ethereum 拆分为许多独立的执行链。

相反，Danksharding 旨在增加 Ethereum 可向 Rollup 提供的数据可用量。

这有助于 Rollup 以更低成本发布更多数据，从而可能改善 Layer 2 活动的用户体验。

Danksharding 还依赖数据可用性采样，它允许节点检查小型随机数据片段，而不是下载全部数据。

这有助于网络支持更多数据，同时使节点要求更易于管理。

目标是在不让独立用户运行节点变得过于昂贵或困难的前提下扩展 Ethereum。

分片与数据可用性

数据可用性是指验证区块链活动所需的数据确实可供网络获取。

这是分片的关键组成部分，因为将工作分配至不同分片可能带来新的验证挑战。

如果数据被隐藏或无法获取，用户可能无法证明某个区块、分片或 Rollup 批次是否有效。

因此，区块链在设计分片时不能只关注速度。

它还必须证明，交易和状态变更背后的数据可由诚实参与者检查。

官方Ethereum 数据可用性文档说明了为何 Rollup 和轻客户端需要可靠保证，以确保数据可用于验证。

数据可用性对 Rollup 尤为重要，因为 Rollup 经常在基础层之外执行交易，但仍依赖基础层提供安全性。

如果 Rollup 数据不可用，用户和独立验证者可能无法确认系统的正确状态。

分片与验证者

验证者对大多数现代分片设计至关重要。

在权益证明（PoS）区块链中，验证者协助提议区块、对区块进行证明、验证数据及维护共识。

分片网络可能将验证者分配至不同分片或不同的数据职责。

随机分配可以增加攻击者控制单一分片的难度。

验证者轮换也可通过随时间在不同职责之间调动验证者，降低长期控制风险。

协调系统必须确保验证者了解自己负责哪个分片，以及其职责何时开始。

系统还必须确保不诚实的验证者在违反协议规则时能够被发现并受到惩罚。

在 Ethereum 的权益证明系统中，Ethereum 权益证明文档说明了验证者如何在共识机制下提议区块并对区块进行证明。

分片的优势

分片最大的优势是更高的可扩展性。

通过将工作分配至多个分片，区块链可在相同节点要求下处理比单链设计更多的活动。

分片还可以缓解拥堵，因为并非所有交易都需要竞争完全相同的执行空间。

较低的拥堵程度有助于降低费用，尤其是在结合 Rollup 和高效数据可用性系统时。

分片还可能通过让去中心化应用更快、更易负担来改善用户体验。

对开发者而言，分片可为复杂应用创造更多空间，而这类应用在拥堵的基础层上成本可能过高。

对于验证者和节点运营者，良好的分片设计可以降低每位参与者所需处理的数据量或计算量。

这有助于保持去中心化，因为更多人可能无需昂贵硬件即可运行节点。

分片的风险与挑战

分片功能强大，但安全设计也十分困难。

一个主要挑战是跨分片通信。

如果交易需要与不同分片上的账户或合约交互，网络必须协调结果，同时避免产生错误或延迟。

另一个挑战是分片安全性。

如果攻击者能控制单一分片中足够多的验证者，即使整个网络规模很大，该分片也可能变得脆弱。

随机验证者分配、轮换、密码学证明和经济惩罚有助于降低此类风险。

数据可用性也是一项主要挑战，因为节点必须能够验证分片数据未被隐藏。

分片还会增加协议复杂性。

更高的复杂性可能为漏洞、客户端问题和意外经济行为创造更多空间。

这就是为何重要的分片升级通常需要多年的研究、测试网、审计和分阶段部署。

分片与 Layer 2 扩容的区别

分片和 Layer 2 扩容相关，但二者并不相同。

分片改变基础区块链或其数据层处理工作负载的方式。

Layer 2 扩容将交易执行移出基础层，同时仍利用基础层进行结算或保障安全。

Rollup 是最重要的 Layer 2 扩容方法之一。

它们将许多交易打包在一起，并将结果提交至基础区块链。

在 Ethereum 当前路线图中，分片通过使数据可用性更便宜、更具可扩展性来支持 Rollup。

这意味着分片和 Layer 2 系统可以协同工作，而非彼此竞争。

以 Rollup 为中心的区块链可使用数据分片，为 Rollup 提供更多空间来发布验证所需信息。

分片与侧链的区别

分片不同于侧链。

侧链通常是与主区块链并行运行的独立区块链，拥有自身安全模型。

分片通常是同一整体协议的一部分，旨在与网络其他部分共享安全性。

这一差异很重要，因为侧链可能不会继承与基础区块链相同的验证者集合或安全保证。

在设计良好的分片系统中，分片旨在同一个协调共识结构下协同工作。

不过，每种协议都不同，因此用户在转移资产或使用应用前，应始终了解实际的安全模型。

分片与模块化区块链的区别

模块化区块链将执行、结算、共识和数据可用性等主要区块链功能分离。

分片可以是模块化设计的一部分，因为它可能专注于扩展某一特定功能。

例如，数据分片专注于为验证提供更多可用数据。

这与在基础层之外处理执行的 Rollup 自然契合。

在模块化路线图中，基础层可能提供安全性和数据可用性，而独立执行环境则处理用户交易。

这种方法有助于区块链实现扩容，而无需让某一层负责所有任务。

分片的实际案例

假设一条区块链支持数百万用户进行支付、游戏、去中心化金融和代币化资产相关活动。

如果每个节点都必须处理每个应用的每笔交易，网络可能变得拥堵。

采用分片后，网络可以将部分职责拆分为更小区段。

一个分片可能处理一组数据，另一个分片则处理另一组数据。

网络随后使用共识规则和通信系统来保持各分片协调一致。

当分片良好运行时，用户可能不会察觉其中的技术细节。

他们可能只会看到更快的交易、更低的成本和更流畅的应用性能。

其他区块链设计中的分片

Ethereum 并非唯一探索分片的区块链生态系统。

一些区块链协议从一开始便将分片作为其架构的核心部分。

例如，NEAR 使用名为 Nightshade 的分片设计来支持可扩展性。

官方NEAR 文档将该协议描述为通过 Nightshade 分片实现分片化和可扩展性。

不同的分片区块链可能采用不同名称、验证者结构、最终性规则和跨分片通信方式。

因此，用户不应认为“分片”一词在所有场景下都代表相同的技术设计。

关于分片的常见误解

分片不会自动使区块链容量无限。

每个分片系统仍受带宽、验证者性能、数据可用性、共识设计和用户需求等因素限制。

分片不会自动让手续费消失。

当区块空间、blob 空间或应用活动的需求增加时，费用仍可能上涨。

分片并不能消除对安全性的需求。

事实上，由于网络被划分为更小的工作区域，分片通常需要更强的协调机制。

分片也不等同于仅仅让许多区块链并行运行。

真正的分片设计必须使各分片在共享协议和安全模型下保持连接。

分片为何对加密货币投资者和用户重要

分片对用户很重要，因为它可能影响交易速度、网络手续费、应用质量和区块链的长期采用。

具备强大扩容技术的网络可能能够支持更多现实应用场景。

这可能包括稳定币支付、去中心化交易工具、借贷协议、游戏经济、身份系统和代币化现实世界资产。

用户应了解，分片是一种技术扩容方法，并不保证投资表现。

采用分片并不会自动使加密资产具有价值。

投资者还应考虑安全性、采用情况、开发者活动、治理、代币经济学和实际需求。

从实用的用户视角看，最重要的问题是分片是否提高网络的可靠性和可负担性。

分片为何对开发者重要

开发者关注分片，是因为应用设计取决于网络性能和数据访问。

分片区块链可能要求开发者认真考虑数据存放位置，以及合约如何跨分片通信。

跨分片调用可能比单链合约交互更复杂。

应用构建者可能需要围绕异步通信、延迟结算或特殊消息传递规则进行设计。

在以 Rollup 为中心的数据分片模型中，开发者可能更关注 Layer 2 执行，同时依赖基础层提供数据可用性。

这可以让应用对用户而言更便宜、更快速，同时仍与安全的结算层相连接。

分片相关核心术语

分片是区块链数据、状态或工作负载中的较小部分。

验证者是网络参与者，通过提议、验证或证明区块，协助保障权益证明区块链的安全。

数据可用性是指网络能够获取验证区块链活动所需数据的保证。

Rollup 是一种 Layer 2 系统，可处理大量交易，并将数据或证明发布回基础区块链。

blob 是 Ethereum Proto-Danksharding 设计中用于支持 Rollup 数据可用性的临时数据对象。

Danksharding 是 Ethereum 用于扩展 Rollup 数据容量的长期数据分片路线图。

跨分片通信是指在不同分片之间传递信息或价值的过程。

常见问题

加密货币中的分片是什么意思？

加密货币中的分片是指将区块链的工作负载、数据或状态拆分为更小部分，使网络能够并行处理更多活动。

分片的主要目的是什么？

分片的主要目的是在保持网络去中心化和安全的同时，提升区块链可扩展性。

分片等同于 Layer 2 吗？

不等同。分片改变基础区块链或数据层处理工作负载的方式，而 Layer 2 系统在基础层之外处理交易，并将结果结算回基础层。

Ethereum 仍使用分片链吗？

不使用。Ethereum 当前路线图不再以传统分片链为中心，而是侧重于 Rollup、blob、数据可用性采样、Proto-Danksharding 和 Danksharding。

什么是数据分片？

数据分片是一种扩容方法，通过提升数据可用性容量实现扩容，而不是将所有交易执行拆分至独立分片链。

什么是状态分片？

状态分片将账户余额和智能合约数据等区块链状态分配至多个分片，使每个节点无需存储所有内容。

分片为何困难？

分片很困难，因为它必须同时处理验证者分配、跨分片通信、数据可用性、安全性和协议复杂性。

分片可以降低 Gas 费吗？

分片可通过提高容量帮助降低费用，但费用仍取决于需求、网络设计、数据市场和应用活动。

分片安全吗？

如果采用强大共识、随机验证者分配、数据可用性检查和可靠的跨分片通信，分片可以是安全的。

分片为何对 Rollup 很重要？

分片对 Rollup 很重要，因为数据分片可以让 Rollup 更便宜、更容易地发布验证所需数据。

结论

分片是加密货币中最重要的扩容概念之一，因为它将区块链工作划分为可更高效处理的较小部分。

基本理念很简单，但技术设计很复杂，因为公共区块链必须保障安全性、去中心化和可验证性。

传统分片可能涉及将网络活动、交易或状态划分至多个分片。

现代数据分片则更侧重于为 Rollup 和模块化区块链系统扩展数据可用性。

Ethereum 的路线图展示了分片含义如何从分片链发展为 Proto-Danksharding、Danksharding、blob 和数据可用性采样。

对用户而言，正确实施分片后可能带来更快交易、更低成本和更好的应用性能。

对开发者而言，分片围绕数据、执行、跨分片通信和 Layer 2 集成带来了新的设计选择。

对于更广泛的加密货币行业，分片仍是让区块链在不放弃使加密货币具备价值的开放和去中心化原则的前提下支持大规模采用的关键路径。