Einführung

Skalierbarkeit war lange Zeit eine Herausforderung für die meisten öffentlichen Blockchains im Blockchain-Bereich. Zum Beispiel führte Bitcoin einen dreijährigen Skalierbarkeitsdiskurs, und Ethereum litt unter Netzwerküberlastung aufgrund eines einfachen Spiels, CryptoKitties. Um dieses Problem zu lösen, wurden verschiedene Lösungen in der Branche vorgeschlagen, darunter kurzfristige Skalierbarkeit durch Erhöhung der Blockgröße, teilweiser Verzicht auf Dezentralisierung durch den DPoS-Konsensmechanismus, Verwendung alternativer Strukturen wie DAG und skalierungsmethoden außerhalb der Kette wie Subchains und Sidechains.

Unter diesen gilt die Sharding-Technologie als eine effektive und fundamentale Lösung. Auf der Entwicklerkonferenz 2016 veröffentlichte der Gründer von Ethereum, Vitalik Buterin, das Ethereum 2.0 „Lila Paper“, in dem die Idee der Transaktionsverarbeitung durch Sharding vorgestellt wurde. Als wichtige Richtung für die Skalierbarkeit von Blockchain allokiert die Sharding-Technologie dynamisch Rechenressourcen durch parallele Verarbeitung und verbessert so die Skalierbarkeit des Blockchain-Netzwerks und legt eine technische Grundlage für die Unterstützung von hochfrequenten globalen Transaktionen.

Aktuelle Blockchain-Skalierbarkeitslösungen

Überblick über die Sharding-Technologie

Ursprung der Idee

Die Sharding-Technologie stammt aus der Datenbankpartitionierung, die darauf abzielte, große Datenbanken in kleinere Segmente für eine effizientere Datenverarbeitung zu teilen. Die Idee, Sharding-Technologie mit Blockchain zu kombinieren, wurde erstmals 2015 vorgeschlagen. Ein Forscherteam der National University of Singapore, bestehend aus Prateek Saxena und Loi Luu, präsentierte auf der CCS International Security Conference ein Papier. Sie teilten Blockchain-Netzwerke innovativ in 'Fragments' auf, die in der Lage sind, Transaktionen gleichzeitig zu verarbeiten und somit eine neue Lösung für das Skalierbarkeitsproblem von öffentlichen Blockchains zu bieten.

Später setzte dieses Forscherduo die Theorie in die Praxis um und entwickelte das erste auf Sharding basierende Projekt, Zilliqa. Zilliqa übernahm einen hybriden Konsensmechanismus von pBFT und PoW und wurde damit zur effizientesten öffentlichen Blockchain für Transaktionsverarbeitung. Anschließend erhielt auch die Sharding-Technologie Anerkennung vom Ethereum-Gründer Vitalik Buterin. Im Jahr 2016 schlug Ethereum ein Sharding-Design mit zwei Ebenen vor, das das Ethereum 2.0-Netzwerk in die Hauptkette und die Shard-Ketten unterteilt. Die Hauptkette verwaltet über den Validator Management Contract (VMC) den Betrieb der Shard-Ketten, während die Shard-Ketten den PoS-Konsensmechanismus zur Verpackung von Transaktionsdaten und zur Generierung von Validierungsblöcken verwenden. Gleichzeitig sichert der VMC die Gültigkeit von Transaktionen und einen reibungslosen inter-shard Datenverkehr durch das UTXO-Modell und Empfangsbäume.

Ethereum 2.0 Sharding Upgrade Flowchart

Seitdem sich die Sharding-Technologie weiterentwickelt hat, sind eine Reihe innovativer Projekte entstanden, die den Durchbruch in der Skalierbarkeit der Blockchain weiter vorantreiben. Diese Projekte erforschen nicht nur das Potenzial von Sharding in Bezug auf Geschwindigkeit und Netzwerkeffizienz, sondern bieten auch starke Unterstützung für potenzielle groß angelegte kommerzielle Anwendungen. Sie versprechen, die Blockchain-Technologie in Richtung hoher Effizienz und breiter Anwendung voranzutreiben.

Definition von Sharding

Sharding-Technologie ist eine Methode zur Optimierung der Blockchain-Architektur, indem das Blockchain-Netzwerk in mehrere unabhängige 'Shards' aufgeteilt wird, um die parallele Verarbeitung von Daten zu ermöglichen. Jeder Shard fungiert als eine unabhängige Verarbeitungseinheit, die in der Lage ist, Transaktionen auszuführen und Daten eigenständig zu verarbeiten und somit die Rechen- und Speicherlasten des Netzwerks effektiv zu verteilen. Dieser Ansatz verbessert nicht nur signifikant die Transaktionsverarbeitungsgeschwindigkeit des Blockchain-Netzwerks, sondern optimiert auch die Speicheranforderungen für Knoten. Knoten müssen nicht mehr die vollständigen Daten der gesamten Blockchain pflegen. Somit verbessert Sharding die Skalierbarkeit und Leistungsfähigkeit von Blockchain-Netzwerken, ohne die Gesamtsicherheit des Netzwerks zu beeinträchtigen, und bietet technische Unterstützung für großflächige Anwendungen.

Quelle: Neue Architekturen und Methoden für eine hochleistungsfähige Sharding/Aufsplitterung Blockchain

Arten von Sharding

Sharding-Technologie kann in drei Haupttypen unterteilt werden: Netzwerk-Sharding, Transaktions-Sharding und Zustands-Sharding. Das Kernprinzip besteht darin, "ein Ganzes in Teile zu teilen und sie getrennt zu verwalten", was es ermöglicht, dass mehrere Shards gleichzeitig unterschiedliche Transaktionen verarbeiten und die Ergebnisse dann auf der Hauptkette zusammenführen, wodurch die Gesamtleistung des Blockchain-Netzwerks verbessert wird.

1. Netzwerk Sharding
   Netzwerk-Sharding ist die grundlegende Form des Sharding, auf der andere Sharding-Mechanismen aufbauen. Die Schlüsselkomponente des Netzwerk-Shardings liegt in der Sicherstellung der Sicherheit und der Verhinderung von Angriffen durch bösartige Knotenpunkte. Konkret bedeutet dies, dass eine Gruppe von Knotenpunkten zufällig ausgewählt wird, um einen Shard zu bilden, und innerhalb des Shards ein unabhängiger Konsens etabliert wird, um Transaktionen zu verarbeiten. Diese Methode erhöht die Netzwerkparallelität erheblich, da mehrere Shards gleichzeitig nicht zusammenhängende Transaktionen verarbeiten und somit die Leistung des Systems verbessern. Zilliqa ist ein typisches Beispiel für eine Blockchain, die Netzwerk-Sharding verwendet und PoW- und pBFT-Konsensmechanismen kombiniert, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. PoW verhindert Sybil-Angriffe, indem nur legitime Knotenpunkte am Sharding teilnehmen, während pBFT einen schnellen Transaktionskonsens ermöglicht und die Bestätigungsgeschwindigkeit erheblich verbessert.

2. Transaktionsaufsplitterung
   Die Transaktions-Splitting/Aufsplitterung beinhaltet die Verteilung verschiedener Transaktionen auf verschiedene Shards zur Verarbeitung, wodurch die Transaktionsverarbeitungsgeschwindigkeit des gesamten Netzwerks beschleunigt wird. Transaktionen werden in der Regel auf Basis der Adresse des Absenders zugewiesen, um verwandte Transaktionen zu gruppieren und Doppelausgaben zu verhindern. Wenn beispielsweise eine Adresse zwei konfliktierende Transaktionen initiiert, werden sie innerhalb desselben Shards schnell erkannt und verhindert. In Fällen, in denen Transaktionen über Shards hinweg stattfinden, wird die Inter-Shard-Kommunikation genutzt, um Doppelausgaben zu erkennen und zu blockieren. Das UTXO-Modell kann die Effizienz des Transaktions-Splittings weiter verbessern, trotz potenzieller Probleme wie der Aufteilung großer Transaktionen. Die Reife des Transaktions-Splittings hat sich signifikant verbessert, was es ermöglicht, dass mehrere Konsensmechanismen parallel arbeiten.

3. Zustands-Sharding
   State Sharding ist die komplexeste und anspruchsvollste Art des Sharding. Der Schlüssel liegt darin, sicherzustellen, dass jeder Shard nur seinen internen Zustand und nicht den globalen Zustand der gesamten Blockchain aufrechterhält und somit die Anforderungen an die Datenspeicherung verteilt. Wenn jedoch Quershard-Transaktionen auftreten, müssen die beteiligten Shards Transaktionszustände teilen, was häufige inter-shard-Kommunikation erfordert, die die Leistung beeinträchtigen kann. Darüber hinaus stehen State Sharding vor Herausforderungen in Bezug auf Datenkonsistenz und Fehlertoleranz: Wenn ein Shard angegriffen und offline geht, kann die Validierung seiner Daten beeinträchtigt werden. Die Bewältigung dieses Problems könnte globale Zustands-Backups auf jedem Knoten erfordern, aber solche Backups stehen im Widerspruch zum dezentralen Speicherungsziel von State Sharding und könnten Zentralisierungsrisiken mit sich bringen.

Sharding Implementierungsstrategien

Sharding Architektur

Die Architektur des Sharding-Designs ist der Kern der Sharding-Technologie und umfasst die Designkonzepte von Hauptketten und Teilketten sowie die Knotenzuweisung innerhalb und zwischen den Shardings. In dieser Architektur pflegt die Hauptkette den Netzwerkkonsens und die Sicherheit, fungiert als Kern der Blockchain, koordiniert die Subchain-Operationen und gewährleistet globale Konsistenz. Subchains sind unabhängige Regionen, die von der Hauptkette abgeleitet sind und sich jeweils auf die Verarbeitung bestimmter Arten von Transaktionen und Smart Contracts konzentrieren, um eine unabhängige Parallelität zur Verbesserung der Leistungseffizienz und Skalierbarkeit zu erreichen.

Zusätzlich sind die Knoten in der Sharding-Architektur in zwei Rollen unterteilt: Subchain-Knoten, die für die Aufrechterhaltung von Transaktionsaufzeichnungen und Zuständen innerhalb ihres Shards verantwortlich sind und an der Konsensbildung teilnehmen, um Transaktionen zu validieren, und Cross-Subchain-Knoten, die damit beauftragt sind, Informationen zu übertragen und Zustände über Shards hinweg zu aktualisieren, um die Koordination und Synchronisation zwischen der Hauptkette und den Subchains sicherzustellen. Diese detaillierte Rollenteilung verbessert die Ressourcennutzung und steigert die Gesamttransaktionsverarbeitungskapazität und legt somit eine solide Grundlage für die Erweiterung und effiziente Betrieb von Blockchain-Netzwerken.

Quelle: neuer Computerwelt

Stichproben

Zufällige Stichproben- und Auswahlmechanismen sind entscheidend, um die Sicherheit und Fairness von Sharding-Architekturen zu gewährleisten. Der Schlüssel liegt darin, zufällig Knoten zur Bildung von Shards auszuwählen und zu verhindern, dass bösartige Angreifer die Kontrolle über einen Shard konzentrieren. Bei der Knotenauswahl werden häufig hashbasierte Zufallszahlengenerierungsalgorithmen verwendet, um Fairness und Dezentralisierung sicherzustellen und Voreingenommenheiten aufgrund geografischer Lage oder historischem Verhalten zu beseitigen. Dies stellt sicher, dass alle Knoten eine gleiche Chance haben, in verschiedene Shards ausgewählt zu werden, und verbessert die Dezentralisierung und Widerstandsfähigkeit des Netzwerks gegen Zensur.

Um zu verhindern, dass Angreifer einen Shard manipulieren, indem sie bestimmte Knoten kontrollieren, führen Sharding-Architekturen in der Regel Mehrfachauswahlmechanismen und dynamische Knotenzuweisungsstrategien ein. Wenn beispielsweise die Anzahl der Knoten in einem Shard einen festgelegten Schwellenwert erreicht, löst das System automatisch eine Shard-Reorganisation aus, indem es nach dem Zufallsprinzip neue Knoten auswählt, die beitreten sollen, und sicherstellt, dass die Verteilung der Knoten innerhalb des Shards nicht übermäßig konzentriert wird. Darüber hinaus passen "Shard-Rebalancing"-Mechanismen die Knotenverteilung zwischen den Shards regelmäßig an und verhindern, dass Angreifer die Knotenkonzentration ausnutzen, um einen Shard anzugreifen oder zu manipulieren. Diese Mechanismen verringern effektiv das Risiko von Single-Point-Fehlern innerhalb der Sharding-Architektur und stärken die Abwehr des Netzwerks gegen böswillige Angriffe.

Quelle: Ein effektiver Sharding-Konsensalgorithmus für Blockchain-Systeme

Herausforderungen und Lösungen beim Sharding

Sicherheitsprobleme

Adaptive adversarial attacks beziehen sich auf Angriffe, bei denen bösartige Akteure ihr Wissen über Netzwerkbedingungen nutzen, um bestimmte Shards in einem Blockchain-Netzwerk anzugreifen. Angreifer können Transaktionen manipulieren, Daten verändern oder den Transaktionsbestätigungsprozess stören, um ihre Ziele zu erreichen. Da jeder Shard in einer aufgesplitterten Architektur relativ weniger Knoten hat, wird es für Angreifer einfacher, ihre Bemühungen auf einen einzigen Shard zu konzentrieren und die Sicherheitsrisiken zu erhöhen. Um dieses Problem zu lösen, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Integrität der Shards zu gewährleisten.

Eine effektive Lösung besteht darin, mehrschichtige Verifizierungsmechanismen und übergreifende Konsensprotokolle einzuführen. Speziell sollten innerhalb jeder Shard mehrere Validierungsknoten eingerichtet werden, um Transaktionen gemeinsam zu bestätigen und damit die Komplexität und die Kosten von Angriffen zu erhöhen. Darüber hinaus ermöglichen übergreifende Konsensprotokolle den Informationsaustausch und die Zustandsvalidierung zwischen Shards, um Koordination und Konsistenz im gesamten Netzwerk sicherzustellen und Angriffe auf eine einzelne Shard zu verhindern, die das gesamte Netzwerk bedrohen könnten. Diese Mechanismen stärken die Widerstandsfähigkeit geschardeter Architekturen gegen Angriffe erheblich und verringern die Risiken durch adaptive feindliche Bedrohungen.

Herausforderungen bei der Datenverfügbarkeit

Die Datenverfügbarkeit ist eine weitere wichtige Herausforderung bei der Sharding-Technologie. Da Sharding immer weiter verbreitet wird, ist es entscheidend, die Zugänglichkeit und Integrität der Daten in jedem Shard effizient zu überprüfen, um die Stabilität des Blockchain-Netzwerks zu gewährleisten. Ein Ansatz zur Bewältigung dieser Herausforderung besteht darin, Teile des Datensatzes zu sampeln, um die Verfügbarkeit des gesamten Datensatzes schnell zu überprüfen. Diese Methode reduziert den rechnerischen Overhead bei der Inspektion aller Daten und verbessert die Gesamteffizienz des Systems.

Darüber hinaus müssen wir wirksame Überprüfungsmechanismen einrichten. Zum Beispiel sollten teilnehmende Knoten beim Generieren neuer Blöcke entsprechende Nachweise über die Verfügbarkeit von Daten erbringen. Dies ist besonders wichtig bei Querschnittstransaktionen, um Konsistenz und Genauigkeit der Daten zwischen den Shards zu gewährleisten.

Fallstudien

Ethereum 2.0 Sharding-Technologie

In Ethereum's Skalierbarkeits-Roadmap stellt Danksharding ein revolutionäres Upgrade und eine Kerntechnologie zur Erreichung von Skalierbarkeit im großen Maßstab in Ethereum 2.0 dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sharding-Methoden integriert Danksharding 'merged fee markets' und übernimmt einen einzelnen Block-Proposer-Mechanismus, der die Prozesse für Transaktionen zwischen Shards vereinfacht. Die technische Umsetzung wird schrittweise zu vollständigem Sharding in Ethereum 2.0 übergehen, durch Mechanismen wie EIP-4844 und Proto-Danksharding.

Die Einzigartigkeit von Danksharding liegt in seinem innovativen strukturellen Design. Beim traditionellen Sharding werden Blockchain-Netzwerke in mehrere parallele Unter-Chain aufgeteilt, wobei jede Unter-Chain Transaktionen unabhängig voneinander verarbeitet und Konsens erreicht. Danksharding hingegen verwendet einen einzelnen Block-Proposer, um die Komplexität und Leistungsengpässe durch mehrere Proposer beim traditionellen Sharding zu beseitigen. Die Beacon Chain, als die Kernkonsensschicht von Ethereum 2.0, spielt bei diesem Prozess eine entscheidende Rolle. Sie verwaltet und koordiniert alle Validatoren im Ethereum-Netzwerk, um Sicherheit und Konsistenz zu gewährleisten. Innerhalb des Danksharding-Rahmens pflegt die Beacon Chain Validator-Status und erleichtert die Kommunikation und Datensynchronisation über die Chains hinweg, was insgesamt die Leistung von Ethereum 2.0 verbessert.

Die Implementierung von Danksharding erfolgt in mehreren Phasen. Zunächst wird Proto-Danksharding als Übergangsphase während des Cancun-Upgrades von Ethereum eingeführt. Mit Hilfe von EIP-4844 unterstützt es die Rollup-Technologie zur Reduzierung der Kosten für die Datenspeicherung und legt damit den Grundstein für die vollständige Implementierung von Danksharding. Darüber hinaus wird Danksharding die Sicherheit von Ethereum verbessern, potenzielle Bedrohungen wie 51%-Angriffe verhindern und gleichzeitig die Rechen- und Speicheranforderungen im Netzwerk optimieren, um dezentrale Anwendungen in großem Maßstab zu unterstützen.

Quelle: ETH 2.0 - Sharding erklärt

Polkadot Sharding-Aufsplittungstechnologie

Polkadot erreicht Sharding durch seine innovative "Parachain"-Architektur, die unabhängige Blockchains ermöglicht, innerhalb des gleichen Netzwerks zu arbeiten und gleichzeitig Interoperabilität zu erreichen. Jede Parachain ist ein unabhängiges Blockchain-Netzwerk, das seine Daten und Transaktionen verarbeitet. Diese Parachains werden über die Relay Chain koordiniert und verwaltet, die einen vereinheitlichten Konsensmechanismus bereitstellt und Netzwerksicherheit sowie Daten-Synchronisation und -Konsistenz über alle Parachains hinweg gewährleistet.

Parachains sind auch anpassbar und ermöglichen unabhängige Governance-Strukturen und maßgeschneiderte Funktionalitäten, um spezifische Anforderungen zu erfüllen, was die Netzwerkflexibilität und Skalierbarkeit erheblich verbessert. Die Parachain-Architektur von Polkadot eignet sich besonders für dezentrale Anwendungen (DApps) mit hohen Anforderungen, insbesondere in den Bereichen DeFi, NFT und DAO, wo sich Skalierbarkeit und Flexibilität bewährt haben. Zum Beispiel ermöglicht der Parachain-Slot-Auktionsmechanismus von Polkadot jeder Parachain, Verbindungsrechte zur Relay Chain zu sichern und spezifische Rechenressourcen während der Leasingperiode zu nutzen. Mit der Hinzufügung weiterer Parachains kann Polkadot eine höhere Transaktionsdurchsatzrate und niedrigere Gebühren erreichen.

In Polkadot 1.0 wurde die Zuweisung von Kernressourcen durch ein zweijähriges Auktionssystem bestimmt. In Version 2.0 wurde die Ressourcenzuteilung flexibler. Mit dem Beitritt weiterer Parachains und der dynamischen Verteilung von Ressourcen wird Polkadot zu einem effizienten Multi-Chain-Ökosystem, das eine Vielzahl von dezentralen Anwendungen unterstützt.

Quelle: Polkadot v1.0

NEAR Sharding/Aufsplitterung Technologie

NEAR Protocol nutzt die innovative Nightshade dynamische Sharding/Aufsplitterungstechnologie, die es dem System ermöglicht, die Anzahl der Shards flexibel an die Netzwerkanforderungen anzupassen und effiziente und stabile Operationen unter unterschiedlichen Lasten aufrechtzuerhalten. Die Nightshade-Architektur, die erfolgreich im NEAR-Mainnet implementiert wurde, verarbeitet große Transaktionsvolumina und unterstützt die Entwicklung von DApps, insbesondere unter Hochlastbedingungen.

Der Kernvorteil von Nightshade liegt in seiner dynamischen Sharding-Fähigkeit, die die Shard-Nummern in Echtzeit anpasst, um die Netzwerkperformance und Skalierbarkeit zu verbessern. Mit dem bevorstehenden Phase-2-Upgrade führt NEAR bedeutende Verbesserungen seiner bestehenden Architektur ein, einschließlich der Technologie der „Zustandslosen Validierung“. Diese Innovation ermöglicht es NEAR-Validierungsknoten, ohne lokal Shard-Zustände zu speichern, stattdessen dynamisch „Zustandszeugen“-Informationen aus dem Netzwerk zur Validierung zu erhalten. Dieser Ansatz verbessert die Effizienz der Shard-Verarbeitung, reduziert die Hardwareanforderungen für Validatoren und ermöglicht eine breitere Beteiligung. Da die Sharding-Technologie weiterentwickelt wird, ist NEAR gut positioniert, um das Wachstum der Benutzer im großen Maßstab zu unterstützen und die architektonische Grundlage für die weit verbreitete Annahme von dezentralen Anwendungen zu bieten.

Quelle: Was ist NEAR Protocol? Das Blockchain-Betriebssystem (BOS)

TON Sharding-Technologie

Die TON-Architektur verwendet eine mehrschichtige Struktur, bestehend aus einer Masterchain und Workchains, um einen effizienten Netzwerkbetrieb und nahtlose Cross-Chain-Kommunikation zu gewährleisten. Die Masterchain dient als Hauptbuch des Netzwerks, in dem Blockheader für alle Workchains gespeichert werden und den Gesamtzustand des Netzwerks, einschließlich Protokollupgrades und Validatorwahlen, verwaltet. Workchains sind unabhängige Unter-Chain innerhalb des TON-Netzwerks, die sich jeweils auf bestimmte Anwendungsszenarien oder geschäftliche Anforderungen spezialisieren und so Netzwerkflexibilität und Spezialisierung erreichen.

TON betont die Cross-Chain-Kompatibilität, die nahtlose Interaktion mit anderen Blockchain-Netzwerken ermöglicht, um die Benutzerfreundlichkeit des Ökosystems und die Inter-Blockchain-Funktionalität zu verbessern. Eine der bemerkenswertesten Innovationen von TON ist ihr unendliches Sharding-Paradigma, das es dem Netzwerk ermöglicht, die Anzahl der Shards dynamisch an die Transaktionslast anzupassen. Unter hoher Last teilt TON Shards auf, um mehr Transaktionen zu verarbeiten; unter geringer Last verschmelzen Shards, um Ressourcen zu schonen und die Gesamteffizienz zu verbessern. Dieses Design für horizontale Skalierung ermöglicht es TON, steigenden Transaktionsanforderungen gerecht zu werden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, und unterstützt hochvolumige Anwendungen wie DeFi.

Darüber hinaus führt TON die Hypercube-Technologie ein, bei der die Übertragungszeit von Daten logarithmisch mit der Anzahl der Blockchains skaliert. Dies bedeutet, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit und Reaktionszeiten des TON-Netzwerks auch dann unbeeinflusst bleiben, wenn es sich auf Millionen von Chains ausdehnt. Theoretisch kann TON bis zu 4,3 Milliarden Arbeitsketten unterstützen, obwohl die aktuelle Implementierung nur die Masterchain und Basis-Chains umfasst. Diese innovative Architektur zeigt das Potenzial von TON in hochbelasteten, hochparallelen Umgebungen und fördert die breite Akzeptanz der Blockchain-Technologie.

Quelle: Shards | Das Open Network

Zukünftige Forschungsrichtungen

Potenzielle Entwicklungen in der Sharding-Technologie

• Interoperabilität zwischen Blockchains: Mit Fortschritten in der Sharding-Technologie wird die zwischenkettenkommunikation zunehmend wichtig, insbesondere da die Nachfrage nach Austausch von Informationen und Vermögenswerten zwischen verschiedenen Blockchain-Netzwerken wächst. Zukünftige Sharding-Technologien könnten weitere Cross-Chain-Kommunikationsprotokolle integrieren, wie zum Beispiel Polkadots Relay Chain und Cosmos' IBC, um nahtlose Interaktionen über Shards und Chains hinweg zu ermöglichen.
• Verbesserte Sicherheit durch Shard Governance: Dynamische Shard-Anpassungen und flexible Governance-Mechanismen werden künftig im Fokus der Forschung stehen. Geshardete Ketten stehen nach wie vor vor der Herausforderung, Sicherheit und Dezentralisierung in Einklang zu bringen. Aufkommende Sicherheitsmodelle wie wirtschaftliche Anreizmechanismen und das Teilen von Shard-Validatoren werden erforscht, um das Risiko von Angriffen auf geshardete Ketten zu verringern.
• Integration mit Datenschutz: Die Kombination von Sharding und Datenschutz wird bei datensensiblen Anwendungen entscheidend sein. Technologien wie Zero-Knowledge-Beweise und Vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen (TEE) können zu integralen Bestandteilen des Sharding werden und die Datensicherheit beim Skalieren von geschichteten Ketten gewährleisten.

Mögliche Integrationen und Innovationen in anderen Blockchain-Architekturen

• Hybridarchitektur-Innovationen: Zukünftige Blockchain-Architekturen können mehrere Technologien kombinieren, wie z.B. die Integration von Sharding mit DAG (Directed Acyclic Graph) oder mehrschichtigen Blockchain-Architekturen. Mehrschichtige Ketten können Master- und Sidechains nutzen, um effizienteres Daten-Sharding und Cross-Chain-Erweiterungen zu erreichen. Zum Beispiel könnte sich die Master-Blockchain auf Sicherheit und Konsens konzentrieren, während Sidechains die flexiblere Shard-Verarbeitung übernehmen.
• Anpassung an die Quantencomputertechnologie: Mit fortschreitender Entwicklung der Quantencomputertechnologie werden Blockchain-Architekturen zunehmend die Quantenkompatibilität berücksichtigen. Die berechnungs- und verschlüsselungstechnischen Vorteile der Quantencomputertechnologie könnten die Effizienz der Aufteilung von Daten (Sharding) erhöhen. Gleichzeitig müssen Vorsichtsmaßnahmen gegen Quantenbedrohungen für aktuelle Verschlüsselungsalgorithmen getroffen werden, insbesondere bei der Kommunikation und Validierung zwischen verschiedenen Datenbereichen (Shards).
• KI-gesteuertes intelligentes Shard-Management: Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen könnten eingesetzt werden, um das Sharding-Netzwerk insbesondere in der Vorhersage von Shard-Lasten, der Vorhersage von Datenverkehr und dynamischen Shard-Anpassungen zu automatisieren und zu optimieren. In Zukunft wird das KI-gesteuerte Shard-Management es Blockchains ermöglichen, die Ressourcenzuweisung adaptiv zu optimieren, was die Gesamteffizienz des Netzwerks und die Benutzererfahrung verbessert.

Fazit

Die Sharding-Technologie teilt Blockchain-Netzwerke in mehrere unabhängige und parallele "Shards", wodurch die Last auf einzelnen Knoten reduziert und die Transaktionsverarbeitungsfähigkeiten verbessert werden. Sie wird zunehmend zu einem zentralen Fokus bei der Stärkung des Blockchain-Bereichs. Von Ethereum 2.0's Danksharding bis zum unendlichen Sharding-Paradigma von TON erkunden und implementieren immer mehr Blockchain-Netzwerke die Sharding-Technologie, um der wachsenden Nachfrage nach Transaktionsdurchsatz gerecht zu werden. Gleichzeitig haben Herausforderungen wie die Kompatibilität zwischen verschiedenen Blockchains und die Verfügbarkeit von Daten neue technologische Innovationen gefördert, die eine Zusammenarbeit und den Austausch von Vermögenswerten zwischen verschiedenen Blockchains ermöglichen.

Die Implementierung der Sharding-Technologie ist jedoch nicht ohne Herausforderungen. Probleme wie Sicherheit, Datenkonsistenz und Effizienz der zwischen den Shards stattfindenden Kommunikation erfordern weitere Durchbrüche. In Zukunft wird die Sharding-Technologie die Blockchain weiterhin in eine neue Ära hoher Leistung und weit verbreiteter Anwendung treiben. Mit der Reife der Technologie werden Sharding-Architekturen flexibler und sicherer, unterstützen mehr dezentrale Anwendungen (DApps) und finanzielle Innovationen und bringen letztendlich mehr Nachhaltigkeit und Innovation in das globale Blockchain-Ökosystem.