解决扩展性问题：哈希技术在区块链中的工作原理

执行摘要

分片是解决第一层区块链网络扩展性限制的最重要解决方案之一。这项技术将网络划分为多个“片”，允许并行处理交易。结果：更快的速度、更低的成本和优化的网络性能。但分片并非没有安全和技术挑战，需要谨慎处理。

基本挑战：三重区块链难题

区块链技术面临一个根本性的矛盾：去中心化、安全性和可扩展性无法同时实现。这被称为“三重困境”。

传统网络选择牺牲可扩展性以保持安全性和去中心化。每个节点保留数据的完整副本，这确保了安全性和透明性，但大大减慢了处理速度。

这里的分拆作为一种战略解决方案，旨在实现这三个要素之间的平衡。

什么是哈希？

分片是一个受现代数据库管理启发的概念。简单来说：网络被分成称为“分片”的独立部分，而不是顺序处理所有交易。

每个部分作为一个独立的单元工作，能够：

• 独立处理他的交易
• 执行智能合约
• 数据验证
• 所有这些与其他部分并行进行

将此模型应用于区块链网络实现两个基本目标：提高速度，同时保持去中心化。

如何实际应用哈希

从串行到并行

在传统模型中(序列处理)，网络中的每个节点负责：

• 处理每一笔交易
• 验证其有效性
• 存储所有完整数据

这提供了高安全性，但确实在性能上造成了瓶颈。

分片彻底改变了这个场景。不同于线性处理，多个处理同时在不同的片段上进行。这意味着每秒处理的交易数量大大增加。

横向分割：分片的技术基础

分片依赖于所谓的“水平划分”，而不是垂直划分。

横向分割： 数据按行划分，并分配到不同的节点。每个节点保留独立的数据子集。这确保了信息的完整性不会丢失。

垂直分割： 数据按列划分 (属性)。每个节点保留一组特定实体的所有属性。这对于区块链来说效率较低。

为什么水平划分是最优的？

三个主要原因：

1. 真正的可扩展性: 每个部分独立运行，大大增加了处理的交易数量
2. 保留的去中心化: 由于计算和存储的需求低得多，可以加入更多的节点。
3. 数据安全: 每个部分都保留其完整的交易，从而保持数据的完整性

可触及的分割优势

彻底加速交易

与其等待第一笔交易完成后再开始第二笔交易，不如可以同时在不同的部分处理成千上万笔交易。

实用示例：Ziliqua网络已经在使用哈希，并且每秒完成数千笔交易。这在传统模型中是无法实现的。

减少计算和财务负担

传统模型要求每个节点：

• 完整区块链存储
• 处理每一笔交易
• 验证每一笔交易

这意味着参与网络需要巨大的资源和非常高的成本。

通过分片，每个节点只处理整体数据的一部分。结果：普通设备的用户可以成为验证者。这增强了真正的去中心化，并保持了网络的民主性质。

提升网络的整体性能

在传统网络中，节点数量越多，性能就越差(，因为它们之间的通信变得越来越复杂)。

分片反映了这一趋势。每个部分并行工作，新节点被添加到特定部分，而不是整个网络。结果是：随着网络的增长，性能更好，而不是恶化。

不容忽视的挑战和风险

单个部分在攻击面前的脆弱性

在分片模型中，控制一部分所需的计算能力远低于控制整个网络所需的能力。

这为“1%攻击”打开了大门：资源相对有限的攻击者可能能够控制一个部分。这是一个真正的安全威胁，需要强有力的额外保护机制。

复杂的部分之间的交易

当一笔交易涉及来自多个部分的数据时，事情变得非常复杂。

问题：双重支付的风险。如果没有一个部分准确地跟踪另一个部分的状态，用户可能会利用这一点来重复花费相同的资金。管理这种情况需要非常复杂的协议。

提供数据和网络

如果某些部分不可用 (离线合约)，网络可能会面临完整数据恢复和验证的问题。这可能会干扰整个网络。

部分之间的不平衡

如果数据和操作没有在各个部分之间均匀分配，某些部分可能会变得非常繁重，而其他部分则保持闲置。这会损害整体性能。

节点之间的同步延迟

在数千个不同节点之间共享和更新数据需要时间。如果有一个节点的连接速度慢或处理能力弱，可能会导致整个过程中断。

以太坊中的分片应用：通往未来的道路

以太坊计划将分片作为以太坊 2.0 升级的一部分(，也称为 Eth2 或 Serenity)。

目标：提高网络的速度和效率，从而允许处理更多的交易并减少拥堵。

阶段:

• 第一阶段和第二阶段：逐步改进
• 最终阶段：完整的分割应用

以太坊开发者希望此次升级能解决扩展性和高成本问题。但该应用需要非常细致的测试，以确保不影响安全性和去中心化。

总结：区块链的未来正在经历分裂

分片是解决区块链三重难题的一大步。尽管面临真实的技术挑战，但潜力巨大：

• 在不牺牲去中心化的情况下实现真正的扩展
• 竞争性的交易速度
• 更加民主和公平的网络

许多其他区块链正在认真研究分片。以太坊在分片应用中的成功将成为一个值得借鉴的榜样。

但是，像所有新兴技术一样，真正的成功将依赖于持续的投资于研究、开发和严格的测试，然后才能广泛应用。