在區塊鏈可擴展性的背景下，碎片是什麼？

了解區塊鏈中碎片的概念

Sharding是一種適用於區塊鍊網絡的數據庫分區技術，以改善可擴展性和交易吞吐量。在傳統的區塊鏈體系結構（例如Bitcoin或早期以太坊）中，每個節點都會處理並存儲整個網絡狀態。隨著網絡的增長，這會產生瓶頸，因為所有參與者都必須驗證每筆交易。碎片通過將區塊鍊網絡分為較小，更可管理的片段來解決這一問題。每個碎片都獨立運行，維護自己的全球狀態子集並處理自己的交易。這種並行化允許網絡同時處理更多交易，從而顯著增加吞吐量。

碎片的關鍵優勢是它減少了單個節點的負載。與其要求每個節點驗證每個事務，不如將節點分配給特定的碎片，只需要處理與碎片相關的數據。這意味著節點不再需要存儲整個區塊鏈歷史記錄，從而降低了硬件要求，並使更多的參與者能夠運行節點，從而支持分散。

碎片如何增強區塊鏈的可伸縮性

區塊鏈中的可伸縮性是指網絡處理增加交易量的能力，而無需犧牲性能或安全性。區塊鏈在不碎片的情況下面臨三元素：平衡權力下放，安全性和可擴展性。碎片通過啟用水平縮放來直接針對可伸縮性方面，這使更多的碎片並行處理交易。

每個碎片的功能都像具有自己的交易歷史和狀態的迷你塊鏈一樣。例如，如果區塊鏈具有64個碎片，則理論上可以處理交易的64倍，而不是單鏈系統。這種並行處理能力大大提高了交易速度並降低了擁塞。以太坊計劃的碎片實施旨在將吞吐量從每秒15-30次交易增加到完全部署後的每秒數万美元。

碎片還減少了延遲。由於交易是在單個碎片中處理的，而不是向整個網絡廣播，因此確認時間可能會更快。但是，這引入了在跨碎片之間保持一致性的複雜性，這是通過諸如信標鍊等協調機制來解決的。

信標鏈在碎片網絡中的作用

在以太坊的碎片設計中， Beacon Chain是中央協調員。它可以管理碎片分配，驗證器分配和跨碎片通信。驗證者（參與共識的節點）隨機分配給不同的碎片，以防止惡意接管。信標鏈確保碎片狀態定期同步，並且網絡保持安全和凝聚力。

通過稱為委員會輪換的過程，定期將驗證者定期在碎片之間改裝。這種隨機性阻止攻擊者將力量集中在單個碎片中。信標連鎖店還收集並最終確定了碎片塊的證明，以確保所有碎片都遵守網絡的共識規則。

交聯是另一個關鍵功能。 Beacon鏈記錄了每個碎片狀態的加密承諾（哈希）。這些交聯用作檢查點，將碎片數據固定到主鏈中，並使光線客戶端驗證碎片數據而無需下載整個碎片歷史記錄。

區塊鏈中的碎片類型

實施碎片有幾種方法，每種方法都有不同的權衡：

• 狀態碎片：將區塊鏈的狀態（帳戶餘額，智能合約數據）劃分為碎片。每個碎片僅存儲和更新其全球狀態的部分。
• 交易碎片：分割交易處理，以便不同的碎片處理不同的交易。這改善了吞吐量，但需要處理影響多個碎片的交易的機制。
• 網絡碎片：對等網絡進行分區，以便節點僅在同一碎片中與其他人通信。這減少了帶寬的用法，但需要強大的發現和路由協議。

一些系統還實施了執行碎片，將智能合約分配給特定碎片。這允許並行執行非衝突合同，但當合同需要跨碎片交互時會引入挑戰。

跨碎交易和原子性

碎片最複雜的方面之一是處理涉及多個碎片的交易，稱為跨片交易。例如，將令牌從碎片A中的帳戶轉移到碎片B中的一個帳戶需要兩個碎片之間的協調。

為了維持原子性（確保交易要么完全成功或失敗），blockchains使用協議，例如兩相提交或基於收據的通信。在收據模型中，當Shard A中的交易將資金發送到Shard B時，Shard A會生成收據。然後，碎片B創建相應的交易，以在驗證收據的有效性時最終確定轉移。

這個過程需要對時間和順序的共同理解，通常是通過信標鍊或全球時鐘管理的。驗證者必須確認收據是合法的，尚未雙重。雖然有效，跨偏離的交流引入了潛伏期和復雜性，這使其成為正在進行的研究的關鍵領域。

碎塊鏈中的安全考慮

Sharding引入了新的攻擊媒介，最值得注意的是單切接管攻擊。如果攻擊者在一個碎片中獲得對大多數驗證者的控制，他們可以操縱該碎片中的交易。為了減輕這種情況，碎片網絡使用隨機驗證器分配並頻繁進行改組。

另一個問題是數據可用性。碎片中的節點必須確保所有交易數據均已發布和訪問，因此其他節點可以驗證它。某些系統使用擦除編碼和數據可用性採樣，在其中，Light客戶端隨機檢查部分碎片數據以確認它可用而無需下載所有內容。

加密經濟安全也是至關重要的。攻擊單碎片的成本應高度高。這是通過需要大量的存放存款和實施懲罰惡意行為的削減條件來實現的。

常見問題

碎片和側鏈之間有什麼區別？碎片是一種鏈縮放解決方案，其中碎片與主鏈緊密整合併集體安全。 Sidechains是與主鏈平行的獨立區塊鏈，可能使用不同的共識機制。碎片依靠主要網絡的安全性，而Sidechains擁有自己的安全性。

可以在Bitcoin中實現碎片嗎？目前， Bitcoin由於其設計理念強調簡單性和安全性而不支持碎片。實施碎片將需要對Bitcoin的共識和數據結構進行重大更改，該共識和數據結構沒有追求。

碎片如何影響智能合同的互動？部署在特定碎片上的智能合約只能直接與同一碎片上的其他合同進行互動。對於跨分性相互作用，使用異步消息傳遞或收據，與碎片內調用相比，這可能會增加複雜性和潛伏期。

是否需要所有節點來驗證碎片網絡中的所有碎片？否。在碎片系統中，節點只能與信標鏈一起驗證它們被分配給的碎片。這減輕了計算和存儲負擔，從而可以更大的參與和可擴展性。