区块链网络之所以安全，是因为它们的数据历史和交易都由节点维护。系统中的节点越多，系统就越去中心化和无需信任。但随着网络上的用户越来越多，区块链的历史不断增长，其节点的负担也在不断增加。由于每个节点都存储了区块链的完整副本，因此链上处理的每笔交易都会给每个节点带来更大的压力。
并非所有节点都能够承担计算和财务负担，因此，愿意运行验证器节点的用户更少。
因此，现在有几种方法可以帮助区块链在有效运行的同时实现增长。更具体地说，它们被称为扩展解决方案。虽然目前有很多扩展解决方案，但对主要区块链来说，最有希望的解决方案之一是分片。具体来说，分片允许权益证明网络以比以往更快的速度处理更多交易。它也是第二大最受欢迎的网络以太坊的扩展解决方案之一。
但在我们深入讨论细节之前，分片到底是什么？
什么是分片？
简单来说，分片技术允许将单个区块链拆分成多个更小、更易于管理的区块链，这些区块链称为分片链，也称为数据层。您可以将分片视为原始网络数据和交易的子集。当所有分片组合在一起时，它们就构成了整个数据库。但是，网络上的每个节点都不是维护区块链的完整交易历史记录，而是每个节点只分配给其中几个较小的分片。
这大大减轻了每个节点的数据负担，提高了交易速度。此外，它还允许网络并行处理多个交易流——大大提高了其可扩展性。
但如何呢？
分片如何工作？
对一个庞大且去中心化的区块链网络进行分区的过程其实相当复杂。当然，这不仅仅是将这些链分开，它们还必须能够相互通信，以确保网络仍然作为一个整体运行。
首先，您已经知道网络被分成了几个分片链，也称为数据层。这些层独立工作，每个层都有自己的节点组。这些参与者（通常称为委员会）会验证和处理特定分片的交易。本质上，当您使用分片链发起交易时，它将首先转到该分片的指定验证者。
但故事还没完。因为尽管这些独立的分片独立工作，但它们也可以相互通信。这涉及一个特定的层，它可以验证每个分片链的工作并允许它们相互通信。这被称为协调层。
具体来说，一个区块只有在分片链的节点验证后才会被广播到协调层。此时协调层将检查每个区块是否有效。如果有效，它将把该区块添加到其记录中，如果无效，它将拒绝它。这有助于分片链彼此保持一致——从本质上保证了系统的安全性。它还支持跨分片通信，因为该层确保每个分片都能够读取其他分片的数据。
分片的好处
分片有很多好处，但主要两个是提高TPS和交易速度。
提高吞吐量
由于网络被划分为许多分片链，并且每个分片链都有自己的验证器，因此更广泛的网络可以同时处理更多交易。这对于非常庞大且繁忙的网络来说是一个改变游戏规则的因素。
例如，以太坊每秒只能处理 15-30 笔交易 (TPS)。想象一下，如果它每秒可以处理 100 笔交易，那将是多么有用。相比之下，Visa 每秒处理的交易约为 1000-4000 笔。因此，区块链还有很长的路要走。
提高交易速度
将网络分割成碎片也意味着每个碎片的交易队列负担较小。由于每个碎片链仅接收网络区块的一部分，因此节点不必存储太多数据，队列中的交易也更少。这意味着验证者可以比传统链更快地处理您的交易。
分片的风险
现在你知道了分片可以实现扩展，这对于任何大型区块链来说都很重要。但与任何新技术一样，它也面临着挑战。让我们来探讨一下区块链网络分片的一些缺点：
中心化风险
由于区块链节点分散在不同链之间，因此保护每个分片的节点较少。这使得其去中心化程度较低，并可能为验证者集中化问题打开大门，例如合谋或 51% 接管。简而言之，对较小的网络进行分片可能会导致黑客瞄准验证者。验证者数量越少，恶意行为者就越容易攻击系统。但是，对一个足够繁忙的网络进行分片应该不是问题，因为即使在一个分片中，也应该有足够的验证者来保持去中心化。
数据不一致
使用分片时，还存在数据不一致的风险。由于每个分片链都是独立的，因此一个分片记录的数据可能与另一个分片不同。在这种情况下，如果分片链之间存在差异，网络状态就会变得不一致。在去中心化金融等用例中，数据不一致是一个巨大的问题，因为这可能导致用户资金损失。
此外，不同分片链和协调层之间的协调和通信也是网络运行的一个重要方面。由于分片增加了复杂性，如果任何一个组件发生故障，系统崩溃的可能性就会更高。
以太坊上的分片
现在您已经了解了有关分片的所有信息，但是您是否知道以太坊计划实施这种可扩展性解决方案？ 没错！ 目的是提高网络同时以更快的速度处理更多交易的能力。
但为什么它首先需要分片呢？
以太坊的可扩展性问题
与所有权益证明网络一样， 以太坊使用验证器在队列中提议和处理区块。但是，网络上的活跃用户越多，队列就越长。这大大减慢了交易速度。不幸的是，这抵消了其加密货币大规模采用的计划。
简而言之，以太坊网络架构无法在保持用户体验的同时扩展超过一定交易量。这是它之前过渡到权益证明共识的主要原因之一，也是它现在考虑分片等扩展解决方案的原因。
以太坊的分片计划和激增
以太坊计划在 Vitalik Buterin 博客中概述的网络升级“Surge”期间引入此机制。一旦完成此过程，信标链将充当协调层的角色，其他 64 条分片链将与其一起工作。
此外，还计划减轻与其实施相关的集中化和数据不一致风险。为了避免前者，以太坊将使用随机抽样。这意味着验证者被随机分配分片。此外，他们还将不断被重新分配。这可以防止黑客控制同一分片中的大多数节点。
然后，为了解决数据不一致问题，以太坊计划使用交易排序和欺诈证明等方法。这些方法将从本质上确保数据的一致性和防止不诚实活动。
然而，值得注意的是，在此升级阶段，发挥作用的不仅仅是分片。还有计划实施汇总以提高网络的可扩展性。在即将到来的阶段结束时，以太坊的目标是实现每秒100,000 笔交易的吞吐量——这比它目前的能力要高得多。
令人兴奋的是，Surge 计划于 2023 年下半年发布。但由于Merge 的发布时间比预期的要晚得多，该时间表可能会有所调整。
分片、第二层、汇总：有什么区别？
除了分片之外，区块链汇总也具有类似的好处。汇总通常被称为第二层解决方案，它们具有相同的目标，但方法不同。简而言之，汇总涉及一条单独的链，该链将许多交易一起处理，然后将它们转发回原始链。这可以节省主链处理数据量大的交易，从而改善拥堵。它们有几种不同的类型，但基本上所有类型的汇总都会减轻节点的数据负担。
分片技术则有所不同，因为它实际上将整个网络划分为同一链内的部分，然后并行处理交易。这意味着它主要侧重于同时处理大量交易，从而提高交易速度。汇总技术则更侧重于通过将这些繁重的数据从原始链中处理出来，从而减少每个区块的数据量。
虽然现在判断哪种解决方案最好（或者两者结合是否更可行）还为时过早，但显然可扩展性是当今区块链面临的最重要挑战之一。如果这项技术要实现大规模采用，它必须能够在技术上支持这项活动。因此，可扩展性解决方案将继续发展。请继续关注！
分片：只是众多扩展解决方案之一。
虽然我们还没有看到分片对主流区块链的影响，但它显然是一个扩展大型区块链的有趣解决方案。为了应对网络越来越流行带来的使用量激增，扩展是必需的。
