在区块链可扩展性的背景下，碎片是什么？

了解区块链中碎片的概念

Sharding是一种适用于区块链网络的数据库分区技术，以改善可扩展性和交易吞吐量。在传统的区块链体系结构（例如Bitcoin或早期以太坊）中，每个节点都会处理并存储整个网络状态。随着网络的增长，这会产生瓶颈，因为所有参与者都必须验证每笔交易。碎片通过将区块链网络分为较小，更可管理的片段来解决这一问题。每个碎片都独立运行，维护自己的全球状态子集并处理自己的交易。这种并行化允许网络同时处理更多交易，从而显着增加吞吐量。

碎片的关键优势是它减少了单个节点的负载。与其要求每个节点验证每个事务，不如将节点分配给特定的碎片，只需要处理与碎片相关的数据。这意味着节点不再需要存储整个区块链历史记录，从而降低了硬件要求，并使更多的参与者能够运行节点，从而支持分散。

碎片如何增强区块链的可伸缩性

区块链中的可伸缩性是指网络处理增加交易量的能力，而无需牺牲性能或安全性。区块链在不碎片的情况下面临三元素：平衡权力下放，安全性和可扩展性。碎片通过启用水平缩放来直接针对可伸缩性方面，这使更多的碎片并行处理交易。

每个碎片的功能都像具有自己的交易历史和状态的迷你块链一样。例如，如果区块链具有64个碎片，则理论上可以处理交易的64倍，而不是单链系统。这种并行处理能力大大提高了交易速度并降低了拥塞。以太坊计划的碎片实施旨在将吞吐量从每秒15-30次交易增加到完全部署后的每秒数万美元。

碎片还减少了延迟。由于交易是在单个碎片中处理的，而不是向整个网络广播，因此确认时间可能会更快。但是，这引入了在跨碎片之间保持一致性的复杂性，这是通过诸如信标链等协调机制来解决的。

信标链在碎片网络中的作用

在以太坊的碎片设计中， Beacon Chain是中央协调员。它可以管理碎片分配，验证器分配和跨碎片通信。验证者（参与共识的节点）随机分配给不同的碎片，以防止恶意接管。信标链确保碎片状态定期同步，并且网络保持安全和凝聚力。

通过称为委员会轮换的过程，定期将验证者定期在碎片之间改装。这种随机性阻止攻击者将力量集中在单个碎片中。信标连锁店还收集并最终确定了碎片块的证明，以确保所有碎片都遵守网络的共识规则。

交联是另一个关键功能。 Beacon链记录了每个碎片状态的加密承诺（哈希）。这些交联用作检查点，将碎片数据固定到主链中，并使光线客户端验证碎片数据而无需下载整个碎片历史记录。

区块链中的碎片类型

实施碎片有几种方法，每种方法都有不同的权衡：

• 状态碎片：将区块链的状态（帐户余额，智能合约数据）划分为碎片。每个碎片仅存储和更新其全球状态的部分。
• 交易碎片：分割交易处理，以便不同的碎片处理不同的交易。这改善了吞吐量，但需要处理影响多个碎片的交易的机制。
• 网络碎片：对等网络进行分区，以便节点仅在同一碎片中与其他人通信。这减少了带宽的用法，但需要强大的发现和路由协议。

一些系统还实施了执行碎片，将智能合约分配给特定碎片。这允许并行执行非冲突合同，但当合同需要跨碎片交互时会引入挑战。

跨碎交易和原子性

碎片最复杂的方面之一是处理涉及多个碎片的交易，称为跨片交易。例如，将令牌从碎片A中的帐户转移到碎片B中的一个帐户需要两个碎片之间的协调。

为了维持原子性（确保交易要么完全成功或失败），blockchains使用协议，例如两相提交或基于收据的通信。在收据模型中，当Shard A中的交易将资金发送到Shard B时，Shard A会生成收据。然后，碎片B创建相应的交易，以在验证收据的有效性时最终确定转移。

这个过程需要对时间和顺序的共同理解，通常是通过信标链或全球时钟管理的。验证者必须确认收据是合法的，尚未双重。虽然有效，跨偏离的交流引入了潜伏期和复杂性，这使其成为正在进行的研究的关键领域。

碎块链中的安全考虑

Sharding引入了新的攻击媒介，最值得注意的是单切接管攻击。如果攻击者在一个碎片中获得对大多数验证者的控制，他们可以操纵该碎片中的交易。为了减轻这种情况，碎片网络使用随机验证器分配并频繁进行改组。

另一个问题是数据可用性。碎片中的节点必须确保所有交易数据均已发布和访问，因此其他节点可以验证它。某些系统使用擦除编码和数据可用性采样，在其中，Light客户端随机检查部分碎片数据以确认它可用而无需下载所有内容。

加密经济安全也是至关重要的。攻击单碎片的成本应高度高。这是通过需要大量的存放存款和实施惩罚恶意行为的削减条件来实现的。

常见问题

碎片和侧链之间有什么区别？碎片是一种链缩放解决方案，其中碎片与主链紧密整合并集体安全。 Sidechains是与主链平行的独立区块链，可能使用不同的共识机制。碎片依靠主要网络的安全性，而Sidechains拥有自己的安全性。

可以在Bitcoin中实现碎片吗？目前， Bitcoin由于其设计理念强调简单性和安全性而不支持碎片。实施碎片将需要对Bitcoin的共识和数据结构进行重大更改，该共识和数据结构没有追求。

碎片如何影响智能合同的互动？部署在特定碎片上的智能合约只能直接与同一碎片上的其他合同进行互动。对于跨分性相互作用，使用异步消息传递或收据，与碎片内调用相比，这可能会增加复杂性和潜伏期。

是否需要所有节点来验证碎片网络中的所有碎片？否。在碎片系统中，节点只能与信标链一起验证它们被分配给的碎片。这减轻了计算和存储负担，从而可以更大的参与和可扩展性。