Was ist Sharding und wie kann es die Geschwindigkeit von Blockchain-Transaktionen verbessern?

Sharding in der Blockchain-Technologie verstehen

1. Sharding ist eine Datenbankpartitionierungstechnik, die für Blockchain-Netzwerke angepasst wurde, um die Skalierbarkeit und Leistung zu verbessern. Anstatt zu verlangen, dass jeder Knoten den gesamten Transaktionsverlauf der Kette verarbeitet und speichert, unterteilt Sharding das Netzwerk in kleinere Segmente, die als „Shards“ bekannt sind. Jeder Shard verarbeitet eine einzigartige Teilmenge von Transaktionen und behält seinen eigenen Status bei, einschließlich Kontoständen und Smart Contracts.

2. Diese architektonische Änderung ermöglicht es mehreren Shards, Transaktionen gleichzeitig zu verarbeiten, was den Durchsatz drastisch erhöht. In traditionellen Blockchains wie Bitcoin oder dem frühen Ethereum validiert jeder Knoten jede Transaktion, was zu einem Engpass führt, wenn die Netzwerknutzung zunimmt. Beim Sharding wird die Rechenlast verteilt und ermöglicht so eine parallele Verarbeitung über unabhängige Shards hinweg.

3. Jeder Shard arbeitet mit einem eigenen Satz von Validatoren, wodurch die Belastung der einzelnen Knoten verringert wird. Knoten müssen nur Transaktionen innerhalb ihres zugewiesenen Shards verifizieren, was die Hardwareanforderungen senkt und eine stärkere Dezentralisierung unterstützt, indem mehr Teilnehmer Knoten ohne High-End-Infrastruktur betreiben können.

4. Die Kommunikation zwischen Shards wird über eine zentrale Beacon-Kette oder Koordinatorkette verwaltet, die Shard-übergreifende Transaktionen überwacht und die Konsistenz im gesamten Netzwerk gewährleistet. Diese Koordinationsschicht bestätigt die Gültigkeit von Vorgängen über mehrere Shards hinweg und sorgt gleichzeitig für allgemeine Sicherheit und Integrität.

5. Sharding bringt Komplexität in Bezug auf Shard-übergreifende Kommunikation und Datenverfügbarkeit mit sich. Um sicherzustellen, dass ein Shard dem Zustand eines anderen Shards vertrauen kann, sind robuste kryptografische Beweise und Konsensmechanismen erforderlich. Techniken wie Betrugsnachweise, Gültigkeitsnachweise (z. B. zk-SNARKs) und Stichproben zur Datenverfügbarkeit tragen dazu bei, die Sicherheit aufrechtzuerhalten, selbst wenn Knoten nicht alle Shards verarbeiten.

Erhöhte Transaktionsgeschwindigkeit durch Parallelverarbeitung

1. Durch die Aufteilung des Netzwerks in mehrere Shards können Blockchain-Systeme Tausende von Transaktionen gleichzeitig statt nacheinander ausführen. Wenn ein Netzwerk beispielsweise über 64 Shards verfügt, könnte es theoretisch 64-mal mehr Transaktionen pro Sekunde verarbeiten als ein Single-Chain-Design, vorausgesetzt, die Kapazität pro Shard ist gleich.

2. Diese Parallelität geht direkt auf Überlastungsprobleme ein, die während Spitzenauslastungszeiten in nicht-shardeden Ketten auftreten, wo die Transaktionsgebühren aufgrund des begrenzten Blockplatzes in die Höhe schnellen. Beim Sharding wird die Nachfrage auf mehrere Shards verteilt, wodurch die Latenz niedrig und die Kosten vorhersehbar bleiben.

3. Anwendungen wie dezentrale Börsen, Spieleplattformen und Mikrozahlungsdienste profitieren von schnelleren Bestätigungszeiten, die durch Sharded-Architekturen ermöglicht werden. Benutzer erleben eine nahezu sofortige Abwicklung, ohne auf einen globalen Konsens im gesamten Netzwerk warten zu müssen.

4. Die Reduzierung der Arbeitslast pro Knoten bedeutet auch, dass Lightweight-Clients sinnvoll an der Validierung teilnehmen können, wodurch der Zugriff erweitert und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Zentralisierungsdruck verbessert wird, der durch ressourcenintensive Vollknoten verursacht wird.

5. Die Sharding-Implementierung von Ethereum zielt darauf ab, Rollups durch die Bereitstellung zusätzlicher Datenverfügbarkeit zu ergänzen und die Hauptkette effektiv in eine skalierbare Datenschicht für Off-Chain-Ausführungsumgebungen zu verwandeln.

Sicherheitsüberlegungen in Sharded-Blockchains

1. Ein großes Problem beim Sharding ist das Risiko von Angriffen auf Shard-Ebene, beispielsweise wenn ein böswilliger Akteur die Kontrolle über einen einzelnen Shard erlangt. Da jeder Shard über weniger Validatoren verfügt, ist es im Vergleich zum gesamten Netzwerk möglicherweise einfacher, Kompromisse einzugehen.

2. Um dem entgegenzuwirken, verwenden viele Sharding-Designs eine zufällige Validatorzuweisung, bei der die Knoten in regelmäßigen Abständen zwischen den Shards rotieren. Dies macht gezielte Übernahmen unpraktisch, da Angreifer nicht vorhersagen können, welchem ​​Shard ihre kontrollierten Knoten zugeordnet werden.

3. Die kryptoökonomischen Anreize sind so ausgerichtet, dass der Angriff auf einen beliebigen Shard mit den gleichen Kosten und dem gleichen Risiko verbunden ist wie der Angriff auf das gesamte Netzwerk. Strafen für Fehlverhalten, wie z. B. Kürzungsbedingungen, gelten unabhängig von der Shard-Zugehörigkeit einheitlich.

4. Datenverfügbarkeitsprüfungen stellen sicher, dass ehrliche Knoten außerhalb des Shards fehlende oder beschädigte Daten erkennen können, selbst wenn ein Shard ungültige Blöcke produziert. Diese Mechanismen verhindern stille Ausfälle und bewahren das globale Vertrauen in das System.

5. Während Sharding die Skalierbarkeit verbessert, erfordert es ein strenges Protokolldesign, um die Einführung neuer Angriffsvektoren zu vermeiden. Die laufende Forschung konzentriert sich auf die Optimierung von Kompromissen zwischen Dezentralisierung, Sicherheit und Leistung in Multi-Shard-Ökosystemen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein Shard in der Blockchain? Ein Shard ist eine Teilmenge eines Blockchain-Netzwerks, die für die Verarbeitung und Speicherung eines Teils der gesamten Transaktionslast verantwortlich ist. Es funktioniert halbunabhängig, behält seinen eigenen Status und Transaktionsverlauf bei und koordiniert sich gleichzeitig über eine zentrale Kette mit anderen Shards.

Wie reduziert Sharding die Transaktionsgebühren? Durch Sharding werden die Gebühren gesenkt, indem die Gesamtkapazität des Netzwerks erhöht wird. Wenn Transaktionen über mehrere Shards hinweg parallel verarbeitet werden, verringert sich die Überlastung. Eine geringere Nachfrage nach begrenztem Blockraum führt zu einem geringeren Wettbewerb zwischen den Nutzern und damit zu niedrigeren Gaspreisen.

Können Smart Contracts über verschiedene Shards hinweg interagieren? Ja, aber die Shard-übergreifende Kommunikation erfordert spezielle Protokolle. Transaktionen mit mehreren Shards müssen über die Beacon-Kette oder eine ähnliche Infrastruktur koordiniert werden. Dies beinhaltet häufig das Sperren von Assets in einem Shard und deren Mining in einem anderen oder die Verwendung asynchroner Nachrichtenübermittlung mit Bestätigungsverzögerungen.

Ist Sharding bereits auf großen Blockchains aktiv? Derzeit ist Full Sharding auf den meisten großen Blockchains noch nicht aktiv. Ethereum hat Phase 0 seiner Beacon-Kette bereitgestellt und führt schrittweise Sharding-Funktionen ein, wobei der Schwerpunkt zunächst auf der Datenverfügbarkeit für Rollups und nicht auf dem vollständigen Ausführungs-Sharding liegt.