Ethereum 分片：區塊鏈分片入門

什麼是區塊鏈分片（sharding）？

Ethereum Sharding 已被 danksharding 取代——支援 layer 2 擴容，而非直接擴展 mainnet 本身。

注意：以下文章概述了原本針對 Ethereum mainnet 分片的計畫，該計畫已被放棄。部分內容可能已過時，請參考上方連結的 danksharding 文章，以取得 Ethereum 擴容路線圖的最新資訊。

多年來，區塊鏈的可擴展性一直是開發者社群中的討論議題。像 Ethereum 這類公有區塊鏈網路需要多個節點驗證交易，這限制了它們的擴展能力。

以 Ethereum 為例，其每秒約可處理 10-13 筆交易。相較於 VISA 等中心化系統可處理高達 24,000 TPS，這個數字相去甚遠。

若要讓區塊鏈——以及運行於其上的去中心化應用——獲得大規模採用，就需要能支撐龐大用戶量的可擴展性。

除了 layer 2 區塊鏈之外，分片（sharding）也是一種被提出用來擴展 Ethereum、支援更多用戶的方案。分片的概念是將主鏈拆分成多個獨立區段，讓節點只需驗證其中一部分交易。

當節點以平行方式驗證交易時，網路吞吐量得以提升，應用也能隨用戶量成長而擴展。

什麼是資料庫分片（database sharding）？

資料庫分片是中心化資料庫管理中常見的技術，指將一個大型資料庫切分成較小的區塊（「shard」），透過將資料庫平行分散到多台機器上，以提升效率與應用程式的可擴展性。

隨著使用軟體的用戶數或執行的操作數增加，儲存在資料庫中的資料量也會隨之增加。超載的資料庫會影響應用效能並損害使用體驗。因此，分片有其必要，可以減輕資料庫負擔並改善載入時間。

資料庫分片範例

假設有一個資料庫，儲存了某城市 100,000 位居民的個人紀錄。

要找出某個人的資訊，需要處理約 100,000 筆交易——這是一項成本高昂且耗時的工作。

但如果我們把這個大型資料庫拆分成多個較小的資料庫，會發生什麼事？

例如，把姓氏開頭為特定字母的所有市民歸類到同一台獨立伺服器上，尋找資訊所需的運算資源就會減少，任務完成所需時間縮短，資料庫也變得更容易管理。

以下是另一個資料庫分片的示意範例：

什麼是 shard？

「shard」意指「整體中的一小部分」。在資料庫管理中，shard 是託管在獨立伺服器上的大型資料庫子集。每個 shard 雖各自包含部分資料，但它們共同組成一個邏輯上完整的資料集。

延續前面的例子，我們可以將姓氏開頭為「A」的市民歸為「Shard 1」，姓氏開頭為「B」的市民歸為「Shard 2」，依此類推。

若將這些邏輯 shard 全部合併，就能得到涵蓋所有市民紀錄的單一資料集。

區塊鏈網路中的分片

區塊鏈網路的分片與中心化資料庫的做法相同：區塊鏈網路可被「分片」，拆分成不同區段，每個 shard 儲存區塊鏈部分資料，並處理一組獨立的交易。

透過分片，區塊鏈網路可以改善網路延遲與可擴展性。

區塊鏈分片試圖解決什麼問題？

由於所有節點都必須就交易有效性達成共識（即取得一致意見），區塊鏈網路同時間只能處理少量交易。

一般而言，每個節點都會儲存區塊鏈的完整歷史紀錄，並處理每一筆交易。這正是 Ethereum、Bitcoin 等區塊鏈網路能稱為「去中心化」的原因。

由於每個完整節點都擁有網路完整歷史紀錄的副本，惡意行為者要劫持網路、進而回滾或竄改交易，會變得更加困難。

不過，確保區塊鏈的去中心化與安全性是以犧牲可擴展性為代價。

分片區塊鏈讓節點無需下載區塊鏈的完整歷史紀錄，也無需驗證流經網路的每一筆交易，藉此提升網路效率，讓區塊鏈能夠擴展以支援更大的用戶需求。

什麼是 shard chain？

在區塊鏈網路的脈絡下，shard chain 會包含一部分資料，並負責一部分交易處理工作。

shard chain 類似一組獨立運作的迷你區塊鏈，為了維護安全性，每條 shard chain 會透過 Validator Manager Contract（VMC）定期向主鏈（Beacon Chain）提交交易紀錄。

由於每條 shard chain 都有各自獨立的交易歷史，以及一組驗證新交易的節點，多條 shard chain 可以同時運行，透過平行處理來提升網路延遲表現與吞吐量。

Ethereum 的分片是什麼？

Ethereum 原計畫在完成 Ethereum PoS 升級——一系列旨在改善 Ethereum 1.0 功能的升級——後，採用分片作為擴容方案。

為什麼需要分片？

Ethereum 需要分片的主要原因有兩個：支撐用戶數呈指數成長的能力，以及在規模擴大的同時維持去中心化。

1. 支撐持續增加的用戶數

Ethereum 目前的架構無法應對使用量呈指數成長的情況。

目前，所有 Ethereum 節點都儲存著 Ethereum Virtual Machine（EVM）的完整狀態，包括智能合約程式碼與帳戶餘額。

此外，交易是以線性方式執行，且需要整個網路的確認。

線性方式處理交易，加上節點需要管理龐大的資料集，會拖慢網路速度。

2. 在規模擴大時維持去中心化

要求節點保有區塊鏈完整副本，也會帶來中心化的問題。目前 Ethereum 帳本已占用超過 10 terabytes 的儲存空間，是一般電腦可容納容量的 10 倍。

隨著 Ethereum 區塊鏈持續成長，運行 Ethereum 節點可能會變得困難，導致只剩下少數節點負責維護網路安全。這會重新引入 Ethereum 原本設計要解決的中心化與單點故障問題，削弱其價值。

分片可以同時解決這兩個問題。

分片能促進更好的可擴展性，因為節點可以同時驗證不同的交易；而將交易資料切分成較小的區塊，也讓運行完整節點變得更容易，降低中心化的風險。

Ethereum 分片術語

在說明分片的運作方式之前，先介紹一些重要定義：

State（狀態）

State 指的是系統在任一時間點的資訊。在 Ethereum 中，state 是特定時間點的網路描述——包括合約程式碼、帳戶、地址餘額等。每一筆新交易都會改變 Ethereum 的 state。

Merkle tree（默克爾樹）

Merkle tree 或 Merkle root 是一種透過雜湊值儲存大量資訊的加密機制。Merkle tree/root 對 Ethereum 的安全性至關重要，因為它們讓節點能快速驗證某筆資料是否屬於更大結構的一部分。

Collation

Collation 是在 shard chain 上執行的一組交易，類似於 proof-of-work（PoW）中的區塊。Collation 會被提交至主鏈，並串接起來形成區塊鏈。

Collation header

Collation header 類似於 proof-of-work 共識中的區塊標頭（block header）。Collation header 包含關於 collation 內部資訊的中繼資料，例如：

• 該 collation 所屬的單一 shard
• 父 collation 的 root hash
• collation 中所有交易的 Merkle root
• pre-state root 與 post-state root
• notaries 的簽章

Notaries

Notaries 是被隨機指派到某個 shard chain、負責對提出的 collation 投票的驗證者。這些投票稱為「attestation」，用以證明 collation 的有效性。每個 collation 都需要至少三分之二的 collator 簽署認可，才能被加入共識鏈。

Proposers

Proposer 是被選定來建立 collation 並提交驗證的 collator（或稱驗證者）。Proposer 的職責與 PoW 區塊鏈中的礦工相同。

Committees

Committee 是一組負責驗證 shard 區塊有效性的驗證者或 notary。這些 committee 會定期隨機重新洗牌，因此驗證者無法預測自己會被分配到哪個（些）committee。

Ethereum 分片如何運作？

由於路線圖持續延遲，Ethereum 社群放棄了原本的分片計畫，轉向以 layer 2 為核心的路線圖。這讓核心開發者得以推出稱為「The Merge」的共識升級，將網路共識機制改為 Proof-of-Stake。

原本 Ethereum 分片升級計畫將 Ethereum 區塊鏈拆分成 64 條 shard chain。每條 shard chain 都會有獨立的 state，也就是說，節點只會儲存部分帳戶餘額與智能合約程式碼，並處理總交易量中的一部分。

Ethereum PoS 分片在實務上可能如何運作？

假設 Ethereum 有 10,000 個驗證者與 100 條 shard chain。

透過一種偽隨機協定，已在 Validator Manager Contract（VMC）中存入 ETH、具備資格的驗證者會被分配到 shard 1-100。

在 Shard 1 中，會選出一位驗證者（proposer）將新交易組成一個 collation。

其他驗證者（notary）會下載該 collation，並驗證其中交易的有效性。

若三分之二的 notary 對該 collation 提出 attestation，該 collation 便會透過 VMC 提交至主鏈。

值得注意的是，並非整個 collation 都會被加入 Beacon Chain——若要驗證每個 shard 的 collation，會既困難又浪費時間。

相反地，主鏈上的驗證者節點只需檢查每個 collation 的 attestation（簽章），即可判斷其有效性。

透過 collation header，任何人都能驗證各個 shard 上的活動。

Collation header 的作用相當於「cross-link」，描述不同 shard 的 state 與交易資訊。因此，跨 shard 通訊讓人得以在不參與每個 shard 的情況下，取得 Ethereum 網路的整體視角。

分片可能帶來的缺點

雖然 Ethereum 分片承諾帶來許多好處，但也引入了一系列新問題：

• 每個 shard 運行的節點數量減少，51% 攻擊等惡意行為變得更容易發生。
• 程式碼變得更複雜，智能合約安全漏洞風險提高。
• Committee 成員可能串謀，將惡意交易提交至主鏈。

Ethereum 分片：時間軸與分階段推出

Ethereum 社群至少從 2013 年起就一直在討論分片，但開發者一直延後實作——這是有原因的。分片極為複雜，會帶來新的風險，因此需要嚴謹的測試才能解決各種問題。

根據 Ethereum.org 的說法，分片將在「The Merge」完成後才會在 Ethereum 上推出。所謂 Merge，指的是 PoW 的 Ethereum 主網路（mainnet）與 Beacon Chain（PoS）整合的事件。

Beacon Chain 是 Casper proof-of-stake 系統的一種實作，能產生建構可運作分片系統所需的隨機性。該鏈已於 2020 年 12 月 1 日上線。

在下一節中，我們將簡要概述 Ethereum 分片的實作情況：

【已放棄】Ethereum 分片：時間軸與分階段推出

Ethereum 社群自 2013 年起便一直在討論分片，但由於分片極為複雜且會帶來新風險，需要嚴謹測試才能成功上線，因此 Ethereum 開發者一直延後實作。

以下簡要概述 Ethereum 分片的時間軸：

ETH 2.0 分片的時間軸為何？

根據 Ethereum.org 的說法，分片將在「The Merge」——即 PoW 的 Ethereum 主網路（mainnet）與 Beacon Chain 完成整合——之後部署於 Ethereum。

分片第一階段

根據 Ethereum 的升級時程規劃，此階段可能於 2023 年展開。不過，目前尚未有明確的分片時間表。

以下概述 Ethereum 分片第一階段可能的樣貌：

• Validator Manager Contract（VMC）託管於 Beacon Chain 上，負責協調分片流程
• 有意成為 ETH2 驗證者的節點，需先將 32 ETH 鎖入智能合約，才能被加入合格驗證者池
• VMC 會定期將驗證者分配至各 shard，負責驗證與處理交易 collation 並提交至共識鏈
• shard 僅作為「資料倉儲」，用以提升 Ethereum 網路的資料處理能力

分片第二階段

ETH PoS 分片升級的第二階段定義較不明確，開發者仍在討論部分細節。不過，我們可以預期 Ethereum 分片第二階段在實務上大致如下：

• shard 從資料層轉變為程式碼執行層——每個 shard 都擁有獨立的「state」（即一組獨立的智能合約、帳戶餘額與地址）
• 每個 shard 的運作方式類似 Ethereum Mainnet，完整支援智能合約與 dApp
• 跨 shard 通訊讓不同 shard chain 上的用戶能夠交換價值
• 運行於不同 shard chain 上的應用可透過跨 shard 通訊「溝通」並互動，改善 Ethereum 的可擴展性

Ethereum 分片——結語

當多條 shard chain 同時運行時，節點可以提升交易處理能力，並能處理更大量的鏈上資料。

延續前面的例子，若 100 條 shard chain 各自每秒處理 100 筆交易，那麼 Ethereum 2.0 便能達到 10,000 TPS。

從各 shard 發布到基礎層鏈上的資訊只有 collation header——即有效性的加密證明——因此驗證者節點確認交易並提交至共識層鏈會變得更容易。

結果是交易最終確定性（finality）更快，網路延遲表現也隨之提升。

雖然各方估計不一，但分片的導入預期能讓 Ethereum 擴展至每秒處理數十萬筆交易的水準。

隨著 TPS 提升，Ethereum 能提供應用所需的可擴展性，以應對使用量激增與數十億用戶的需求。