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分片的概念及其运作原理

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简介

区块链技术在去中心化、透明度和安全性方面带来了前所未有的潜力,但也面临着可扩展性这一巨大挑战。可扩展性是区块链三元悖论的其中一项,另外两项则是安全性和去中心化。区块链领域一直力求同时满足以上三项,而“分片”正是可以派上用场的策略解决方案。

什么是分片?

分片是从传统数据库管理借鉴而来的概念,是指将较大数据库拆分成更易管理的较小部分(称为“分片”)的过程。分片用在区块链领域,即可提高可扩展性,同时保持去中心化原则。分片实际上是将区块链网络划分为较小的部分,而每个分片部分均可并行处理交易和智能合约。

分片如何运作?

要了解区块链网络中分片如何执行,需先了解区块链数据的常规存储和处理方式。数据处理方式多种多样,下面将介绍顺序处理和并行处理。

通常来说,每个区块链节点负责处理网络内的所有交易量。这类数据处理方式称为“顺序处理”。也就是说,每个节点必须维护和存储所有关键信息,例如账户余额和交易历史记录。本质上,每个节点都必须处理所有网络运行、数据和交易。

此模式通过记录所有节点上的每笔交易来增强区块链的安全性,但也大大降低了数据处理速度。数据并行处理则允许同时执行多个操作,此时便可发挥作用。

分片可拆分或“分割”整个区块链网络中的交易工作量,因此是可以解决这一困境的有效解决方案。这意味着,并非所有节点都需管理或处理区块链的全部工作量。

相反,分片通过水平分割将工作量分开。在此过程中,数据被划分为水平子集,每个分片均充当独立的数据库,能与其他分片分开处理交易。 

水平分割与垂直分割

分片的概念及其运作原理

水平分割与垂直分割是数据库扩展的两大主要方法。两种方法均旨在有效管理大型数据集,但二者的基本运作方式截然不同。分片是实施水平分割的常用方法。

数据通过水平分割可分成行并分布到不同的节点(或数据库)中。每个节点(或数据库)都包含数据子集。表内的每一行都是唯一实体,因此各行分开不会破坏数据完整性。水平分割的典型示例即区块链网络的分布,例如以太坊比特币

分片的概念及其运作原理

垂直分割的数据则是分成列,而非行。垂直分割的每个分区均包含各个实体或整个数据集的数据子集,但仅针对某一组特定属性。例如,包含“姓名、状态、说明和照片”等列的客户表格。在垂直分割情况下,“姓名”和“状态”可能保存在一个表内,“说明”和“照片”则存在另一个表内。

分片的概念及其运作原理

为何水平分割更受青睐?

在区块链网络中,水平分割通常比垂直分割更受青睐,主要在于可扩展性、去中心化和安全性这三大原因。

可扩展性:分片通过将数据细分为较小更易管理的“碎片”来提供解决方案。每个分片均可独立运行,同时处理更多交易,从而提升网络速度和效率。垂直分割则将列分布在不同的数据库中,这可能会使检索完整交易或区块信息变得更复杂,从而限制可扩展性。

去中心化:与区块链的核心理念一致,水平分割支持去中心化。如果节点只需处理总数据(一个分片)的一部分,计算和存储负荷将有所降低,则可允许更多节点参与网络。与之相比,垂直分割存在局限性,即每个节点均需访问所有分区(所有数据列)才能理解和验证完整的区块数据。

安全性与数据完整性:每个分片(或分区)包含完整的交易数据,以确保每个节点包含其区块链部分完整准确的副本,因此水平分割可保持数据的完整性。垂直分割本质上是拆分不同节点的区块数据,这样则难以保障区块链网络最重要的数据完整性和安全性。

分片有哪些优势?

以下将详细探究分片为区块链技术带来的潜在优势:

提高交易速度:分片促进了交易并行处理。分片并非按顺序逐一处理交易,而是允许在不同的分片上同时处理交易。每个分片独立运行,从而显著提升交易速度。这不仅加快了交易速度,还意味着整个网络可以处理更多用户,从而促进网络的应用普及。

Ziliqa就是正在使用分片解决可扩展性的区块链网络。借助该分片机制,Ziliqa的每秒交易处理量可达数千笔。

最大限度降低处理和存储成本:传统的区块链设计要求每个节点存储所有交易。随着区块链的发展,对硬件的需求也随之增加。但是通过分片,每个节点仅需负责处理和存储整个网络数据中的一小部分,这将减少节点参与网络所需的资源。

因此,加入成为验证者的参与者越多,就能增强网络的去中心化,且不会产生高昂的成本。这样一来问题得以缓解,不仅限于拥有高端昂贵计算资源的实体才能实际参与该流程,从而保持了区块链网络的民主化性质。

提升网络性能:分片有助于提升网络的整体性能和容量。传统区块链中参与网络的节点日益增多,这将增加节点之间的通信和同步,性能反而会下降。

但是,分片改变了这种情况。由于每个分片可以独立并行运行,因此系统可以处理更多的交易和计算。新节点加入则只是添加到分片,而非整个网络中,从而提高网络的扩展容量。效率得以提高,交易变得更流畅,则可确保更好的用户体验。

请记住,分片技术的未来发展与改进还可能带来其他优势,或加强现有优势,从而不断优化区块链生态系统。

分片有哪些局限性?

分片通过诸多潜在优势可帮助区块链网络提高效率,但在这一过程中也出现了一系列独特的挑战。分片带来的潜在漏洞包括: 

单一分片接管攻击:在分片环境中,接管单个分片的算力大大低于接管整个网络所需的算力。因此,单个分片更易受到“百分之一攻击”或“分片接管”。与攻击整个网络相比,手握少量资源的攻击者有可能接管单个分片。

跨分片交易:在不同的分片(跨分片)上进行交易将面临独一无二的挑战。跨分片交易很复杂,管理不慎可能会导致双花问题。交易期间,如果一个分片无法准确追踪另一分片的状态,用户则可能会利用此漏洞,试图造成“双花问题”。

数据可用性问题:分片使维护整个网络的状态变得错综复杂。由于维护某些分片的节点处于离线状态,导致这些分片在需要时不可用,这可能会导致数据可用性问题,从而中断整个网络。

网络安全:分片需要实施稳定的协议,才能平衡分片之间的负载。如操作不当,可能会导致数据分布不均或资源不平衡,从而可能造成网络不稳定。

节点同步:由于在不同节点之间分享和更新信息需要花费时间,节点同步可能会导致网络延迟。此外,如果节点处理能力变慢或网络连接滞后,则可能会减慢整个同步过程,从而降低区块链网络的整体性能。

分片是否实施在以太坊上?

以太坊已将分片实施规划为以太坊2.0升级的一部分。以太坊2.0,别称“Eth2”或“宁静阶段”,是以太坊区块链的升级,旨在提高网络速度、效率和可扩展性,继而提高处理更多交易的能力并缓解拥塞。

截至目前,该升级正在分阶段实施,最后阶段(第2阶段)即包括全面实施分片。以太坊开发人员希望升级可解决当前网络所面临的挑战,例如可扩展性和交易成本等。

但值得注意的是,实施分片本身就充满挑战,尤其是维护网络安全和去中心化。因此,以太坊开发人员经过深思熟虑,对这一过渡进行了大量测试,以确保全面实施后升级能取得成功。

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