加密貨幣中的分片是什么？加密貨幣分片實(shí)踐：以太坊分片
本文解釋了區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的分片，追溯了以太坊向數(shù)據(jù)可用性和 EIP-4844 的轉(zhuǎn)變，并分析了由此產(chǎn)生的安全性、性能和專業(yè)影響。
以太坊擴(kuò)容的討論通常都集中在 Layer 2 Rollup 上。然而，以太坊的長(zhǎng)期擴(kuò)容策略根植于更深層次的協(xié)議設(shè)計(jì)。分片技術(shù)自 以太坊基金會(huì)早期研究階段起就已納入其發(fā)展路線圖。最初的執(zhí)行分片計(jì)劃已經(jīng)演變?yōu)獒槍?duì) Rollup 優(yōu)化的數(shù)據(jù)可用性分片，從根本上重塑了以太坊的實(shí)際擴(kuò)容方式。
1. 加密貨幣中的分片是什么？
分片是一種適用于分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫可擴(kuò)展性技術(shù)。它并非要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理所有事務(wù)并存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)，而是將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)分片，每個(gè)分片負(fù)責(zé)一部分工作負(fù)載。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，分片將數(shù)據(jù)分散到各個(gè)服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，降低單節(jié)點(diǎn)負(fù)載，并提高橫向擴(kuò)展能力。
在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，模型要復(fù)雜得多，因?yàn)閰^(qū)塊鏈必須在對(duì)抗條件下保持共識(shí)完整性、密碼驗(yàn)證、數(shù)據(jù)可用性保證和經(jīng)濟(jì)安全一致性。
區(qū)塊鏈分片的理論優(yōu)勢(shì)包括并行交易處理、更高的總吞吐量、更低的單個(gè)驗(yàn)證者資源需求以及在不增加區(qū)塊大小的情況下實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性。
與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫不同，區(qū)塊鏈必須解決跨分片交易通信、原子性可組合性約束、驗(yàn)證者分配隨機(jī)性、分片接管抵抗以及輕客戶端可驗(yàn)證的數(shù)據(jù)可用性等問題。這些約束極大地影響了以太坊最終的架構(gòu)轉(zhuǎn)型。
來源：以太世界
2. 以太坊分片路線圖的演變
以太坊的分片策略并非一成不變。它從最初雄心勃勃的跨鏈并行執(zhí)行計(jì)劃，轉(zhuǎn)向了更加注重?cái)?shù)據(jù)可用性的設(shè)計(jì)，以確保匯總操作的順利進(jìn)行。這種轉(zhuǎn)變既反映了技術(shù)上的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，也體現(xiàn)了二層架構(gòu)的快速發(fā)展。
執(zhí)行分片：最初的設(shè)想
早期的以太坊研究提出了多執(zhí)行分片方案，每個(gè)分片處理自己的交易并維護(hù)自己的狀態(tài)，而共享的信標(biāo)鏈則負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)共識(shí)。這種設(shè)計(jì)有效地創(chuàng)建了多個(gè)并行的以太坊鏈，這些鏈由統(tǒng)一的驗(yàn)證者集保護(hù)。早期研究的文檔仍然可以在Ethereum.org上找到，以太坊社區(qū)也主持了相關(guān)的研究討論。
然而，出現(xiàn)了一些結(jié)構(gòu)性問題：
- 跨分片可組合性引入了異步合約交互，破壞了原子性的 DeFi 設(shè)計(jì)。
- 安全碎片化風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)是因?yàn)轵?yàn)證器子集將保護(hù)單個(gè)分片，而不是統(tǒng)一保護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
- 由于應(yīng)用進(jìn)程需要分片感知架構(gòu)，開發(fā)人員的開銷增加了。
- 當(dāng)跨分片交易需要多個(gè)確認(rèn)步驟時(shí)，延遲和用戶體驗(yàn)問題就不可避免了。
卷起式樞軸
隨著 Rollup 技術(shù)日趨成熟并在生產(chǎn)環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在樂觀型和零知識(shí)設(shè)計(jì)方面，以太坊的研究方向發(fā)生了轉(zhuǎn)變。以太坊不再采用分片執(zhí)行的方式，而是致力于減少 Layer 1 的執(zhí)行，并擴(kuò)展數(shù)據(jù)可用性以支持 Rollup。這一以 Rollup 為中心的路線圖由Vitalik Buterin等研究人員提出，并在EthResearch等研究論壇上進(jìn)行了廣泛討論。
這一轉(zhuǎn)變反映了一種戰(zhàn)略認(rèn)識(shí)，即 Rollups 可以更有效地處理計(jì)算，同時(shí)以太坊還能保持安全性和結(jié)算保證。
3. 原型 Danksharding 和 EIP-4844
實(shí)現(xiàn)全面數(shù)據(jù)分片的第一步是通過在 Dencun 升級(jí)期間引入的 EIP-4844 提案實(shí)現(xiàn)的。該提案的公開文檔可在EIPs.ethereum.org上查閱。EIP-4844 引入了 blob 交易，這是一種新的交易類型，允許 rollup 以遠(yuǎn)低于 calldata 的成本發(fā)布大型數(shù)據(jù)負(fù)載。
Blob 交易提供臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)而非永久狀態(tài)增長(zhǎng)，它在獨(dú)立的 Blob 空間費(fèi)用市場(chǎng)中運(yùn)行，降低了 Rollup 的運(yùn)營(yíng)成本，減少了 Layer 2 交易費(fèi)用，并避免了以太坊長(zhǎng)期狀態(tài)規(guī)模的膨脹。Blob 數(shù)據(jù)不像 calldata 那樣可以直接被 EVM 訪問。它的存在完全是為了數(shù)據(jù)的可用性和驗(yàn)證。
Optimism、Arbitrum和zkSync等 Rollup 項(xiàng)目直接受益于數(shù)據(jù)發(fā)布成本的降低。The Block和Cointelegraph等獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)的報(bào)道也證實(shí)，在 Dencun 激活后，Rollup 項(xiàng)目的費(fèi)用大幅降低。
4. 以太坊分片時(shí)間線：從執(zhí)行到數(shù)據(jù)可用性
5. 完全丹克斯哈丁如何運(yùn)作
完全 Danksharding 顯著擴(kuò)展了 blob 容量，并引入了數(shù)據(jù)可用性采樣機(jī)制。該協(xié)議并非要求每個(gè)驗(yàn)證者下載所有 blob，而是使用糾刪碼將數(shù)據(jù)擴(kuò)展為編碼片段，并允許驗(yàn)證者隨機(jī)采樣部分?jǐn)?shù)據(jù)。如果足夠多的驗(yàn)證者成功采樣，統(tǒng)計(jì)保證即可確認(rèn)完整數(shù)據(jù)可用。如果數(shù)據(jù)被隱藏，采樣機(jī)制能夠以高概率檢測(cè)到，并拒絕該區(qū)塊。
該模型通過概率保證而非完全復(fù)制來實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性。它集成了提議者與構(gòu)建者分離機(jī)制以及諸如KZG承諾之類的密碼學(xué)承諾，以確保完整性。關(guān)于這些機(jī)制的學(xué)術(shù)討論可見于密碼學(xué)文獻(xiàn)和以太坊研究庫中。
6. 分片對(duì)性能的影響
分片技術(shù)不會(huì)增加以太坊 Layer 1 的每秒交易執(zhí)行量，而是增加 Rollup 可用的數(shù)據(jù)吞吐量。這提高了 Rollup 批處理效率，提升了 Layer 2 的可擴(kuò)展性上限，增強(qiáng)了壓縮的經(jīng)濟(jì)效益，并降低了用戶的交易成本。在完全 Danksharding 的背景下，blob 吞吐量的擴(kuò)展有望顯著降低 Layer 2 的費(fèi)用，并支持之前成本過高而無法運(yùn)行的高頻應(yīng)用。
以太坊從單純的執(zhí)行吞吐量競(jìng)爭(zhēng)，轉(zhuǎn)變?yōu)樽鳛槎嗉?jí)生態(tài)系統(tǒng)的安全、高帶寬結(jié)算骨干網(wǎng)參與競(jìng)爭(zhēng)。
7. 數(shù)據(jù)分片下的安全模型
數(shù)據(jù)分片引入了潛在風(fēng)險(xiǎn)，包括數(shù)據(jù)扣留攻擊、驗(yàn)證者串通、blob 手續(xù)費(fèi)市場(chǎng)操縱以及極端情況下的抽樣漏洞利用。緩解策略包括隨機(jī)選擇驗(yàn)證者、加密承諾、懲罰性懲罰以及以太坊共識(shí)機(jī)制下的統(tǒng)一經(jīng)濟(jì)安全。由于 Rollup 會(huì)將交易數(shù)據(jù)發(fā)布到以太坊，因此 Layer 1 共識(shí)機(jī)制仍然是最終結(jié)算權(quán)威。
從概念上講，以太坊提供安全性和數(shù)據(jù)可用性，而 Rollup 則提供執(zhí)行和狀態(tài)邏輯。這種分離既保持了經(jīng)濟(jì)一致性，又允許專業(yè)化分工。
8. 對(duì)專業(yè)用戶的影響
對(duì)于開發(fā)者和協(xié)議設(shè)計(jì)者而言，更低的數(shù)據(jù)成本可以提高匯總利潤(rùn)率，簡(jiǎn)化特定應(yīng)用的二層環(huán)境部署，并維持基于以太坊的結(jié)算安全性。對(duì)于交易者和資金配置者而言，加劇的匯總競(jìng)爭(zhēng)可能會(huì)降低費(fèi)用并提高鏈上市場(chǎng)效率，但同時(shí)也會(huì)給二層領(lǐng)域帶來流動(dòng)性碎片化的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施提供商而言，帶寬優(yōu)化、數(shù)據(jù)塊監(jiān)控和數(shù)據(jù)可用性驗(yàn)證將成為戰(zhàn)略重點(diǎn)。
以太坊不再主要依靠執(zhí)行吞吐量指標(biāo)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，而是憑借其作為生態(tài)系統(tǒng)中最安全、模塊化的結(jié)算和數(shù)據(jù)可用性層而脫穎而出。
9. 未解決的問題
關(guān)于 Danksharding 的全面部署時(shí)間表、長(zhǎng)期數(shù)據(jù)塊費(fèi)用市場(chǎng)平衡、跨聚合組合標(biāo)準(zhǔn)、帶寬需求增加對(duì)去中心化的影響以及高數(shù)據(jù)塊吞吐量下的 MEV 動(dòng)態(tài)等問題，仍存在一些懸而未決的問題。Proto-Danksharding 代表的是一個(gè)基礎(chǔ)性里程碑，而非最終架構(gòu)狀態(tài)。
最終視角
以太坊的分片不再僅僅是將執(zhí)行任務(wù)分散到不同的并行鏈上，而是為了擴(kuò)展數(shù)據(jù)可用性，以維持以 Rollup 為主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)確保統(tǒng)一的經(jīng)濟(jì)安全。模塊化擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化，并將以太坊定位為安全的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)于評(píng)估以太坊可擴(kuò)展性路線圖的專業(yè)人士而言，關(guān)鍵在于：分片并非與 Rollup 競(jìng)爭(zhēng)，而是使 Rollup 在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)更具經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性。
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