什麼是分片?它如何運作?
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什麼是分片?它如何運作?

什麼是分片?它如何運作?

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發佈時間 Dec 4, 2023更新時間 Jan 11, 2024
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摘要

  • 分片將區塊鏈拆分成較小的「分片」以解決第 1 層網路相關的可擴展性問題。

  • 分片可提高交易速度,將處理和儲存成本降到最低,並提高網路效能。

  • 分片具有潛在缺點,例如網路安全問題和跨分片交易的複雜性。

前言

區塊鏈技術在去中心化、透明度和安全性方面帶來前所未有的潛力。但它面臨一個重大的挑戰:可擴展性。可擴展性是「區塊鏈三難困境」的其中一點,另外兩點是安全性和去中心化。同時實現三點要求,是區塊鏈領域持續存在的問題。這就是「分片」等策略性解決方案的切入點。

什麼是分片?

分片是從傳統資料庫管理借來的概念。它是指將較大的資料庫拆分為更小、更易管理的部分,稱為分片的過程。它在區塊鏈中的應用旨在提高可擴展性,同時保持去中心化原則。基本上,當區塊鏈網路被分為稱作分片的較小部分時,就會發生分片,每個分片都能夠並行處理交易和智能合約。

分片如何運作?

若要了解分片如何在區塊鏈網路中執行,需要先了解區塊鏈資料通常如何儲存和處理。資料有各種處理方式。我們將檢視序列處理和平行處理。

每個區塊鏈節點通常負責處理網路中的所有交易量。這種類型的資料處理通常稱為序列處理。這代表每個節點都必須維護和儲存所有關鍵資訊,例如帳戶餘額和交易歷史記錄。基本上,每個節點都必須處理所有網路操作、資料和交易。

儘管這樣的模型透過記錄所有節點的每筆交易來強化區塊鏈安全性,但它會顯著減緩資料處理速度。這就是資料平行處理的切入點,因為它允許同時執行多項操作。

分片可為這類困境提供有效解決方案,因為它會拆分或「分片」跨區塊鏈網路的交易工作負載。這代表並非所有節點都需要管理或處理整個區塊鏈的負載。

相反地,分片透過水平分區來分隔工作負載。在此過程中,資料被分為水平子集,每個分片都作為獨立資料庫,能夠與其他資料分開處理交易。 

水平 vs. 垂直分區

水平分區和垂直分區是資料庫縮放的兩種關鍵方法。雖然兩者都旨在更有效管理大型資料集,但運作方式基本上有所不同。分片是實現水平分區的一種常見方法。

在水平分區中,資料分為列,並分散到不同節點 (或資料庫),每個節點都包含資料的子集。表格中的每一列都是唯一實體,因此分隔不會導致任何資料完整性損失。使用水平分區的顯著例子是區塊鏈網路的分發,例如以太坊和比特幣。

在垂直分區中,資料分為欄而不是列。垂直分區中的每個分區都包含每個實體或整個資料集的資料子集,但僅針對特定一組屬性。例如,想像一個包含名稱、狀態、描述和照片等欄的自訂表格。在垂直分區案例中,「名稱」和「狀態」可能會保留在同一表格中,「描述」和「照片」則保留在另一個表格中。

為何偏好水平分區?

水平分區在區塊鏈網路中通常比垂直分區更受青睞,有三個主要原因:可擴展性、去中心化和安全性。

可擴展性:分片透過將資料分解為更小、更易管理的「分片」來提供解決方案。每個分片都可以獨立運行,可同時處理更多交易,提高網路速度和效率。憑藉著垂直分區,在擷取完整交易或區塊資訊時,跨不同資料庫分配欄可能需要更高的複雜性,並且可能會限制可擴展性。

去中心化:為符合區塊鏈的核心態度,水平分區支持去中心化。當節點只需處理總資料的一部分 (分片) 時,因為計算和儲存負擔減少了,因此可以讓更多節點參與網路。相較之下,垂直分區將限制這一點,因為每個節點都需要存取所有分區 (所有資料欄) 以了解和驗證完整的區塊資料。

安全性和資料完整性:水平分區可維持資料完整性,因為每個分片 (或分區) 都包含完整的交易資料,確保每個節點在區塊鏈中都擁有完整、準確的部分副本。在垂直分區中,區塊資料基本上拆分在不同的節點之間,因此確保資料完整性和安全性會變得困難,這是區塊鏈網路的重要方面。

分片有什麼好處?

讓我們深入探究分片可帶給區塊鏈技術的潛在好處:

提高交易速度:分片可促進交易的平行處理。分片不是以序列方式逐一處理交易,而是允許同時處理交易,但在不同分片上處理。每個分片獨立運作,從而顯著提高交易速度。這樣不僅提高交易速度,而且代表整個網路可以處理更多用戶,促進大量採用。

現行區塊鏈網路使用分片解決可擴展性的案例如:Ziliqa。Ziliqa 的分片機制允許它達成每秒數千筆交易。

將處理和儲存成本降到最低:傳統的區塊鏈設計要求每個節點都儲存所有交易,隨著區塊鏈的成長增加了對硬體的需求。但是透過分片,每個節點只負責處理和儲存整個網路資料的一部分 — 這會減少節點參與網路所需的資源。

因此,更多參與者可以加入成為驗證人,從而強化網路去中心化,不會產生龐大的成本。它可以減緩只有具備高端、昂貴計算資源的實體才能實際參與過程的問題,從而保持區塊鏈網路的民主化性質。

改善網路效能:分片可協助改善整體網路效能和容量。在傳統區塊鏈中,隨著越來越多節點參與網路,因為需要更多資料通訊和節點之間的同步,性能出乎意料地降低了。

但是,分片改變了這個局面。由於每個分片單獨同時運作,因此系統可以處理更多交易和計算。當新節點加入時,可以新增至分片而不是整個網路,從而強化網路的擴展能力。效率提高了,從而實現更順暢的交易和更好的用戶體驗。

請記住,分片技術的未來進步和改進可能會創造其他優勢,或強化現有優勢,從而不斷強化區塊鏈生態系。

分片有哪些限制?

雖然分片提供數個潛在好處,可以幫助區塊鏈網路提高效率,但過程也帶來一系列獨特的挑戰。分片引進的潛在漏洞包括: 

單一分片佔領攻擊:在分片環境中,佔領單一分片的計算能力大幅低於佔領整個網路所需的計算能力。這讓個別分片更容易受到「百分之一攻擊」或「分片佔領」- 相較於整個網路,攻擊者使用少量資源就能佔領個別分片。

跨分片交易:跨不同分片 (跨分片) 進行的交易帶來一個獨特的挑戰。跨分片交易很複雜,如果不仔細管理,可能會導致雙重支付。如果一個分片在交易期間未準確追蹤另一個分片的狀態,用戶便可利用此弱點進行「雙重支付」。

資料可用性問題:分片使維護整個網路狀態變成複雜的工作。如果某些分片在需要時無法使用 (因為維護這些分片的節點處於離線狀態),則可能會導致資料可用性問題,從而中斷整個網路。

網路安全性:分片需要實施強大的協定,以平衡分片之間的負載。如果不正確執行,可能會導致資料分配不均或資源失衡,從而造成潛在的網路不穩定。

節點同步化:節點同步化可能會導致網路延遲,因為跨不同節點共用和更新資訊需要時間。此外,如果節點的處理能力較慢或網路連線延遲,可能會減緩整個同步化過程,從而降低區塊鏈網路的整體效能。

分片是否在以太坊上實施?

以太坊規劃實施分片作為以太坊 2.0 升級的一部分。以太坊 2.0 也稱為 Eth2 或 Serenity,是以太坊區塊鏈的升級,旨在提高網路的速度、效率和可擴展性,使其能夠處理更多交易並減輕壅塞。

截至目前,升級正在分階段實施,最後階段 (第 2 階段) 包括完全實施分片。以太坊開發人員希望這些強化功能可以解決網路面臨的可擴展性和交易成本等相關當前挑戰。

但是,請務必注意,實施分片本身具備挑戰,尤其是在維護網路的安全性和去中心化方面。因此,以太坊開發人員正在仔細考慮並對此過渡進行廣泛測試,以確保升級完全實施成功。

總結

整體而言,分片代表解決區塊鏈三難困境方面的顯著進步。雖然它引發新的複雜性和可能缺點,但它在不影響去中心化的情況下具備提高可擴展性的潛力,對區塊鏈網路的未來有無限的前景。

難怪各種區塊鏈都正在探索分片作為潛在的解決方案。以太坊正在整合分片作為以太坊 2.0 升級的一部分,以解決可擴展性問題。這項實施預計將透過坎昆升級進行,該升級是整體改善計畫的關鍵組成部分。然而,與任何其他不斷演進的技術一樣,成功與否取決於分片實施的持續研究、開發和嚴格測試。

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