So funktioniert Blockchain Sharding: Parallelisierung, Durchsatz und Design-Kompromisse (2026)

Absichtsprüfung: Auf dieser Seite geht es um Sharding als eine Skalierbarkeitsarchitektur. Wenn Sie einen umfassenderen Rahmen für Kompromisse in den Bereichen Sicherheit, Dezentralisierung und Skalierbarkeit wünschen, lesen Sie Kompromisse bei der Blockchain-Skalierbarkeit.

Wenn eine einzelne Autobahn nur eine Fahrspur hat, können keine cleveren Ampeln daraus eine Autobahn machen. Das ist im Wesentlichen das Problem, auf das die meisten frühen Blockchains stoßen, sobald die Akzeptanz zunimmt. Jeder vollständige Knoten muss jede Transaktion verarbeiten, jeden Zustand speichern und jeden Block überprüfen. Das Ergebnis sind Überlastung, steigende Gebühren und die schmerzhafte Erkenntnis, dass Dezentralisierung und Skalierbarkeit in entgegengesetzte Richtungen gehen. Sharding ist die architektonische Antwort, auf die die Branche immer wieder zurückgreift, und im Jahr 2026 ist sie relevanter denn je.

Dieser Leitfaden ist die kryptospezifische Sicht auf Sharding. Wenn Sie nach „Was ist Sharding?“ gesucht haben und Datenbankgespräche erwarten, sind Sie hier richtig, allerdings mit einer Wendung. Wir werden uns mit Sharding befassen, während es im Inneren lebt Blockchain Netzwerke: Wie Knoten in Ausschüsse aufgeteilt werden, wie Transaktionen über parallele Ketten weitergeleitet werden, wie Staaten aufgeteilt werden und wie das gesamte Chaos unter kontroversen Bedingungen sicher bleibt. Datenbank-Sharding inspirierte den Namen, aber Blockchain-Sharding muss Probleme lösen, mit denen kein SQL-Cluster jemals konfrontiert war, wie z. B. Sybil-Resistenz, Fork-Wahl und Cross-Shard-Atomizität.

Am Ende dieses Artikels werden Sie die drei Kernvarianten des Sharding verstehen, warum Ethereum stillschweigend vom Ausführungs-Sharding zum Daten-Sharding übergegangen ist, wie Netzwerke wie NEAR, TON, Polkadot, Zilliqa und MultiversX es in der Produktion implementieren, wie Rollups und Sharding im modularen Stack interagieren und welche offenen Probleme im nächsten Zyklus ungelöst bleiben. Dies ist eine lange Lektüre für Entwickler und fortgeschrittene Benutzer, die Substanz und keine Slogans wollen.

Was ist Sharding in Blockchain?

Sharding ist eine horizontale Partitionierungstechnik, die von verteilten Datenbanken übernommen und an den Blockchain-Konsens angepasst wurde. Anstatt jeden Knoten aufzufordern, jede Transaktion über eine globale Kette hinweg zu validieren, wird das Netzwerk in kleinere Gruppen, sogenannte Shards, aufgeteilt. Jede shard verarbeitet seine eigene Teilmenge von Transaktionen, verwaltet seinen eigenen Teil des Zustands und produziert seine eigenen Blöcke parallel zu den anderen. Eine Koordinationsschicht, oft auch Beacon-Kette oder Relay-Kette genannt, fügt alles zusammen und sorgt dafür, dass die Shards über die globale Reihenfolge und Endgültigkeit im Einklang stehen.

Die kryptospezifische Wendung ist wichtig. In einer Datenbank vertrauen Sie dem Betreiber und der einzige Feind ist ein Hardwarefehler. In einer öffentlichen Blockchain existiert der Betreiber nicht und der Feind ist ein finanziell motivierter Angreifer. Ein Blockchain-Shard kann also nicht einfach „jeder Knoten sein, der zufällig diese Partition enthält“. Es muss eine zufällige Zuordnung sein, die regelmäßig rotiert validator subset mit genügend kollektivem Einsatz, um Korruption wirtschaftlich irrational zu machen. Zufällige Ausschusszuweisungen sind das Geheimnis, das Datenbank-Sharding zu etwas macht, das sicher in einem erlaubnisfreien Netzwerk eingesetzt werden kann.

Sie können sich eine Sharded-Blockchain als einen Zusammenschluss von Miniketten vorstellen, die sich ein Sicherheitsbudget teilen. Jeder Shard erbt durch Zufallsstichproben und kryptografische Bescheinigung die Sicherheit des gesamten Validatorsatzes und verarbeitet dabei nur einen Bruchteil der Arbeitslast. Das ist der Trick, der den gesamten Netzwerkdurchsatz zumindest theoretisch ungefähr linear mit der Anzahl der Shards wachsen lässt. In der Praxis gibt es Vorbehalte in Bezug auf Shard-übergreifendes Messaging, Datenverfügbarkeit und Validatorlast, die im Rest dieses Handbuchs erläutert werden.

Warum Blockchains skaliert werden müssen

Bevor wir uns mit der Sharding-Mechanik befassen, lohnt es sich zu begründen, warum die Branche so besessen von Skalierbarkeit ist. Bitcoin verarbeitet etwa 7 Transaktionen pro Sekunde. Das Ethereum-Mainnet liegt je nach Transaktionskomplexität bei etwa 15 bis 30 TPS. Zum Vergleich: Visa verarbeitet an einem normalen Tag Zehntausende pro Sekunde und erreicht während der Einkaufsferien deutlich höhere Spitzenwerte. Wenn Krypto soziale Netzwerke, Gaming-Wirtschaften und Hochfrequenzhandel beherbergen möchte, sind diese Zahlen kein Zufall.

Der Engpass ist nicht die Bandbreite, sondern die Anforderung, dass jeder vollständige Knoten jede Transaktion unabhängig überprüfen muss. Diese Anforderung verleiht einer Blockchain ihre vertrauensminimierten Eigenschaften. Sie müssen Minern, Validatoren oder anderen Benutzern nicht vertrauen, da Sie einen Knoten selbst betreiben und den gesamten Verlauf überprüfen können. Aber dieselbe Eigenschaft begrenzt den Durchsatz auf die Geschwindigkeit der langsamsten vernünftigen Consumer-Hardware. Wenn Sie zu stark auf die Blockgröße oder die Blockzeit setzen, verdrängen Sie Validatoren aus dem Netzwerk und zentralisieren die Kette in einer kleinen Gruppe gut finanzierter Betreiber.

Dies ist das berühmte Blockchain-Trilemma, das Vitalik Buterin formuliert hat: Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit, wählen Sie zwei. Sharding ist der direkteste architektonische Versuch, das Trilemma zu durchbrechen, indem die Arbeitslast pro Knoten reduziert wird, ohne die Anzahl der Knoten zu verringern. Andere Ansätze wie Layer-2-Rollups greift dasselbe Problem aus einem anderen Blickwinkel an, indem es die Ausführung außerhalb der Kette verschiebt. Die beiden Strategien ergänzen sich, schließen sich nicht gegenseitig aus, und das Jahr 2026 hat gezeigt, dass sie am besten zusammenarbeiten.

Staus sind kein abstraktes Problem. Während des NFT-Booms 2021 und des Inschriftenwahns 2024 überstiegen die Gasgebühren von Ethereum regelmäßig 200 Gwei, sodass ein einzelner Tausch über 100 Dollar kostete. Solana erlitt wiederholt Ausfälle, als Transaktionsfluten seine führenden Knoten überschwemmten. Aufgrund der Rückstände im Bitcoin-Mempool während der Ordinal-Raserei stiegen die Gebühren auf über 50 Dollar pro Transaktion. Jede Einführungswelle stellt die zugrunde liegende Architektur auf einen Stresstest, und die Ketten, die damit am besten zurechtkamen, hatten entweder Sharding-ähnliche Designs oder aggressive Layer-2-Ökosysteme.

So funktioniert Sharding: Die Kernidee

Auf seiner grundlegendsten Ebene führt Sharding drei Dinge parallel aus. Es teilt den Validatorsatz in Ausschüsse auf, verteilt die Transaktionslast auf diese Ausschüsse und teilt den globalen Status auf, sodass jeder Ausschuss nur einen Teil davon halten muss. Jede dieser Aufteilungen kann unabhängig implementiert werden, weshalb Sie von Netzwerk-Sharding, Transaktions-Sharding und Status-Sharding als separate Konzepte hören werden, obwohl eine vollständige Sharding-Kette alle drei vereint.

Das Koordinationsproblem macht das Blockchain-Sharding schwierig. In einer Kette ohne Sharding erfolgt der globale Statusübergang im Gleichschritt: Jeder Block aktualisiert jedes Konto, das berührt wurde, und jeder Knoten sieht dieselbe Ansicht. In einer Shard-Kette überträgt Shard A möglicherweise Token zwischen zwei Konten, während Shard B gleichzeitig einen Smart Contract aktualisiert, der von diesen Konten abhängt. Ohne sorgfältiges Design kommt es zu inkonsistenten Zuständen, doppelten Ausgaben oder Blockaden cross-shard Transaktionen. Die meisten modernen Designs lösen dieses Problem mit a beacon chain , das eine kanonische Reihenfolge der Shard-Block-Header erzeugt, sowie ein Nachrichtenprotokoll, das es Shards ermöglicht, sich gegenseitig auf den endgültigen Zustand zu verweisen.

Das obige Diagramm zeigt den Hauptunterschied visuell. Auf der linken Seite trägt jeder Knoten die volle Last, sodass das Hinzufügen von Knoten nur die Redundanz und nicht die Kapazität erhöht. Auf der rechten Seite ist die Arbeit partitioniert, sodass durch das Hinzufügen von Shards effektiv die Kapazität erhöht wird, wobei die Beacon-Kette für die globale Konsistenz sorgt, die alles kohärent hält. Der genaue Mechanismus zur Aufteilung der Arbeit und zur Koordinierung des Status liegt darin, dass jedes Shard-Protokoll unterschiedlich ist.

Die drei Arten des Shardings

Sharding ist keine einzelne Technik, sondern eine Familie aus drei verwandten Techniken, die oft kombiniert werden. Das Verständnis der Unterscheidung ist wichtig, da sich einige Ketten selbst als „sharded“ bezeichnen, obwohl sie nur eine der drei implementieren, und die Auswirkungen auf Sicherheit und Skalierbarkeit erheblich unterschiedlich sind.

Netzwerk-Sharding

Netzwerk-Sharding ist die einfachste Variante. Der Validatorsatz wird durch einen zufälligen Mischprozess in Ausschüsse unterteilt, der häufig durch eine überprüfbare Zufallsfunktion oder VRF in der Beacon-Kette gesteuert wird. Jedes Komitee ist für den Konsens und die Blockproduktion eines Shards für eine definierte Epoche verantwortlich. Danach wird die Zuweisung neu gemischt. Diese Rotation ist für die Sicherheit von entscheidender Bedeutung, da es für einen Angreifer wirtschaftlich unmöglich ist, die Validatoren eines bestimmten Shards zu bestechen oder zu kompromittieren, da er nicht im Voraus weiß, auf welchem ​​Shard er landen wird.

Netzwerk-Sharding allein erhöht den Durchsatz nicht wesentlich, da möglicherweise immer noch jeder Knoten die Ausgaben jedes Shards überprüfen muss. Sein wirklicher Wert besteht darin, das Sicherheitsprimitiv einzurichten, von dem die anderen beiden Sharding-Typen abhängen. Ohne zufällige Zuweisung von Gremien wären Transaktions- und State-Sharding anfällig für gezielte Angriffe auf bestimmte Partitionen.

Transaktions-Sharding

Transaktions-Sharding leitet einzelne Transaktionen an bestimmte Shards weiter. Der Routing-Schlüssel kann die Adresse des Absenders, der Zielvertrag oder ein Hash der Transaktion selbst sein. Zilliqa, eine der frühesten Produktionsimplementierungen von Transaktions-Sharding, teilt Transaktionen nach Absenderadresse auf. Jeder Shard verarbeitet seine Teilmenge parallel und übermittelt seine Ergebnisse dann einem letzten Konsensschritt, in dem der globale Block zusammengestellt wird.

Der Haken beim Transaktions-Sharding allein besteht darin, dass alle Knoten immer noch den vollständigen Status speichern müssen. Während Sie also eine parallele Ausführung erhalten, erhalten Sie nicht die Speicherreduzierung, die mit State Sharding einhergeht. Dies wird in den früheren Roadmap-Dokumenten von Ethereum manchmal als „Execution Sharding“ bezeichnet.

State Sharding

State Sharding ist der größte Aufwand und der größte Gewinn. Der globale Status ist so partitioniert, dass jeder Shard nur einen Teil speichert. Ein Knoten, der Shard 3 zugewiesen ist, muss nur die Konten, Guthaben und Smart-Contract-Speicher verwalten, die auf Shard 3 laufen. Das Ergebnis ist eine drastische Reduzierung der Speicher- und Bandbreitenanforderungen pro Knoten, was billigere Hardware, einfachere Teilnahme und mehr Dezentralisierung bedeutet.

Die Kosten sind die Komplexität. Wenn eine Transaktion den Status eines anderen Shards als dem, an den sie übermittelt wurde, lesen oder schreiben muss, müssen die Shards kommunizieren. Dies ist das Cross-Shard-Problem, und es dominiert die technischen Herausforderungen beim Aufbau einer State-Sharded-Kette. Wir werden uns im nächsten Abschnitt damit befassen.

Cross-Shard-Kommunikation

Bei Cross-Shard-Transaktionen trifft Theorie auf Realität. Stellen Sie sich vor, Alice auf Shard 1 möchte Token an Bob auf Shard 2 senden. Die Übertragung kann nicht atomar innerhalb eines einzelnen Shards abgeschlossen werden, da die Zustandsänderungen zwei Partitionen berühren, die von verschiedenen Komitees in unterschiedlichen Blöcken erstellt werden. Wenn Shard 1 Alices Guthaben abzieht, Shard 2 Bob jedoch nicht gutschreibt, haben Sie Geld verloren. Wenn das Gegenteil der Fall ist, haben Sie Gelder aus dem Nichts geschaffen. Beides ist nicht akzeptabel.

Die meisten Produktionsdesigns lösen dieses Problem mit einem zweiphasigen Commit-Protokoll, das durch die Beacon-Kette vermittelt wird. Shard 1 sperrt zunächst Alices Gelder und sendet eine Shard-übergreifende Quittung aus, die in seinem Block-Header aufgezeichnet wird. Die Beacon-Kette finalisiert diesen Header. Shard 2 fügt dann die Quittung in seinen nächsten Block ein, schreibt Bob eine Gutschrift zu und gibt eine Bestätigung aus, die in die Beacon-Kette aufgenommen wird. Erst wenn beide Etappen abgeschlossen sind, gilt die Übertragung als abgeschlossen. Der gesamte Tanz dauert normalerweise ein bis mehrere Sekunden, abhängig von der Slot-Zeit und dem Endgültigkeits-Gadget der Kette.

Das NEAR-Protokoll hat einen besonders eleganten Ansatz namens asynchrone Cross-Shard-Transaktionen populär gemacht. NEAR behandelt jeden Shard-übergreifenden Aufruf wie eine asynchrone Nachricht, ähnlich wie Microservices über ein Netzwerk kommunizieren. Der Sender-Shard plant den Anruf, der Empfänger-Shard verarbeitet ihn in einem späteren Block und jede Antwort kommt asynchron zurück. Entwickler schreiben Verträge mit expliziten, auf Versprechen basierenden APIs, wodurch die Asynchronität auf der Anwendungsebene sichtbar wird. Der Nachteil besteht darin, dass der Smart-Contract-Code ausführlicher wird, das Protokoll jedoch sauber skaliert werden kann, ohne exotische Atomaritätsgarantien.

Polkadot verwendet ein anderes Modell namens Cross-Consensus Messaging oder XCM. Parachains, bei denen es sich im Wesentlichen um Polkadot-Shards handelt, kommunizieren, indem sie XCM-Nachrichten über die Relay-Kette senden. Jede Parachain fungiert als souveräne Ausführungsumgebung, und XCM bietet ein standardisiertes Format für Vermögensübertragungen, Vertragsaufrufe und Governance-Aktionen in allen Parachains. TON-Arbeitsketten verwenden eine Hierarchie von Shardchains und eine Masterchain, die Nachrichten weiterleitet, wobei die Masterchain globale Statusnachweise erstellt, auf die jeder Shard verweist.

Sharding-Kompromisse

Sharding ist nicht kostenlos. Die gleiche Partitionierung, die Parallelität schafft, schafft auch neue Angriffsflächen, und die Entwicklung einer Sharding-Kette ist ein ständiger Balanceakt. Das am meisten diskutierte Risiko ist die Übernahme einzelner Shards, manchmal auch 1 %-Angriff genannt. In einer Kette mit 100 Shards und insgesamt 10.000 Validatoren verfügt jeder Shard möglicherweise nur über 100 Validatoren. Ein Angreifer, der 1 % des Gesamtanteils kontrolliert, könnte im Prinzip einen einzelnen Shard angreifen und dort die Mehrheit erreichen, obwohl er insgesamt nur einen winzigen Anteil am Netzwerk besitzt.

Die zufällige Zuteilung in ein Komitee ist die primäre Verteidigung. Durch Drehen validator subset Zuweisungen erfolgen unvorhersehbar und häufig, das Protokoll verweigert dem Angreifer die Möglichkeit, seinen Einsatz auf einen Ziel-Shard zu konzentrieren. Ein gut konzipiertes VRF in Kombination mit einer einsatzgewichteten Stichprobe macht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Angreifer mehr als ein Drittel eines Ausschusses kontrolliert, verschwindend gering, vorausgesetzt, er kontrolliert nicht die überwiegende Mehrheit des gesamten Netzwerks. Viele Designs erfordern außerdem Bescheinigungen eines Quorums von Validatoren außerhalb des produzierenden Ausschusses, was eine weitere Verteidigungsebene darstellt.

Der andere große Kompromiss ist die Datenverfügbarkeit. Wenn die Blockproduzenten eines Shards einen Block veröffentlichen, aber die zugrunde liegenden Transaktionsdaten zurückhalten, kann der Rest des Netzwerks den Block nicht überprüfen oder Betrug erkennen. Dies ist das Problem der Datenverfügbarkeit, und es hat eine Welle von Innovationen ausgelöst, darunter auch: modulare Blockchain entwirft und dedizierte Datenverfügbarkeitsschichten wie Celestia. Wir werden darauf im Abschnitt zur Datenverfügbarkeitsstichprobe noch einmal zurückkommen.

Statuswachstum, Lastausgleich des Validators und die Komplexität des Betriebs eines Knotens, der möglicherweise mitten in der Epoche die Shards wechseln muss, sind weitere Schwachstellen. Keines davon ist unüberwindbar, aber sie erklären, warum es Jahre dauerte, bis Produktions-Sharding-Ketten ausgereift waren, und warum einige Teams letztendlich stattdessen auf eine Rollup-zentrierte Skalierung umstiegen.

Sharding vs. Rollups vs. Sidechains

Der Skalierungsstapel von Crypto ist eine Suppe sich überschneidender Konzepte, und Sharding wird regelmäßig mit Rollups und Sidechains verwechselt. Es handelt sich um grundsätzlich unterschiedliche Ansätze, auch wenn sie aus Nutzersicht ähnlich aussehen. Sharding ist eine Skalierungstechnik der Schicht 1, die die Architektur der Basiskette verändert. Rollups sind Layer-2-Konstruktionen, die Transaktionen außerhalb der Kette ausführen und komprimierte Ergebnisse zurück an die Basisschicht senden. Sidechains sind unabhängige Ketten, die durch Brücken verbunden sind.

Am deutlichsten lassen sie sich daran unterscheiden, wo die Ausführung stattfindet und woher die Sicherheit kommt. Sharding wird auf der Basiskette über mehrere parallele Ketten hinweg ausgeführt, die alle durch denselben Validatorsatz gesichert sind. Rollups werden außerhalb der Kette auf ihren eigenen Sequenzern ausgeführt, senden jedoch Daten und Beweise an die Basisschicht und übernehmen deren Sicherheit durch kryptografische oder wirtschaftliche Garantien. Sidechains werden auf ihrer eigenen Infrastruktur mit eigenen Validatoren ausgeführt und sind nur lose über Brücken mit der Hauptkette verbunden, was bedeutet, dass ihre Sicherheit unabhängig ist.

Innerhalb von Rollups gibt es eine weitere Aufteilung zwischen optimistische vs. ZK-Rollups basierend darauf, wie sie die Korrektheit zurück zur Basisschicht beweisen. Optimistische Rollups gelten als gültig, sofern sie nicht innerhalb eines Zeitfensters angefochten werden, während ZK-Rollups mit jedem Stapel kryptografische Richtigkeitsnachweise vorlegen. Beide Ansätze profitieren enorm von der Shard-Datenverfügbarkeit auf Layer 1, und genau dort endete die moderne Roadmap von Ethereum.

In einem vollständig modularen Stack ergänzen sich Sharding und Rollups. Ein Shard Layer 1 sorgt für eine kostengünstige, reichliche Datenverfügbarkeit und -abwicklung. Darauf aufbauende Rollups führen den Großteil der Benutzertransaktionen aus und veröffentlichen ihre komprimierten Stapel auf der Shard-Basisschicht. Dies ist die Richtung, in die sich Ethereum seit der Fusion im Jahr 2022 bewegt, und hier scheint sich der Branchenkonsens für den nächsten Zyklus einzupendeln.

Sharding in der Praxis: Echte Implementierungen

Theorie ist eine Sache, Versand eine andere. Eine Handvoll Netzwerke haben Sharding in der Produktion eingesetzt und können auf jahrelange Betriebserfahrung zurückgreifen. Jeder hat unterschiedliche Designentscheidungen getroffen, und der Vergleich ist aufschlussreich.

IN DER NÄHE von Nachtschatten

Das Nightshade-Design von NEAR geht davon aus, dass das gesamte Netzwerk einen logischen Block pro Slot produziert, dieser Block besteht jedoch aus „Chunks“, wobei jeder Chunk von einem anderen Shard produziert wird. Validatoren sind in Ausschüsse aufgeteilt, die jeweils einen Teil übernehmen, und eine Beacon-ähnliche Koordination erzeugt den einheitlichen Blockheader. NEAR ist mit diesem Design seit 2020 live und hat sich mit dem Wachstum des Netzwerks schrittweise auf weitere Shards ausgeweitet. Das asynchrone vertragsübergreifende Aufrufmodell ist ein entscheidendes Merkmal der NEAR-Entwicklung und hat der Branche wertvolle Erkenntnisse darüber vermittelt, wie Entwicklern asynchrone Semantik zugänglich gemacht werden kann.

Zilliqa

Zilliqa ging 2019 online und war die erste große öffentliche Kette, die Sharding anbot. Es verwendet Netzwerk-Sharding plus Transaktions-Sharding ohne Status-Sharding, was bedeutet, dass Knoten immer noch den vollständigen Status behalten. Der Durchsatz skaliert mit der Anzahl der Shards bis zu einer Obergrenze, und das Directory Service (DS)-Komitee fasst die Ergebnisse jedes Shard-Komitees in einem globalen Block zusammen. Zilliqa ist ein nützlicher Bezugspunkt, da es beweist, dass das Konzept in der Produktion funktioniert, auch wenn seine Designentscheidungen durch spätere Projekte verfeinert wurden.

Polkadot Parachains

Das Parachain-Modell von Polkadot ist voller Souveränität. Jede Parachain ist im Wesentlichen ein heterogener Shard mit eigener Laufzeitlogik, Governance und Tokenomics, der jedoch durch den Relay-Chain-Validator von Polkadot gesichert ist, der durch einen Prozess namens „Shared Security“ festgelegt wird. Parachain-Validatoren werden nach dem Zufallsprinzip zugewiesen und rotiert, und die Relaiskette sorgt für Endgültigkeit. Parachain-Slots werden versteigert, wodurch festgelegt wird, wie viele Parachains gleichzeitig existieren können, aber sichergestellt wird, dass jeder einzelne einen wirtschaftlichen Anteil am Spiel hat.

MultiversX

MultiversX (ehemals Elrond) implementiert adaptives State Sharding, das die Anzahl der Shards automatisch an die Netzwerklast anpasst. Die Metachain koordiniert die Worker-Shards, übernimmt das Mischen des Validators und verarbeitet Shard-übergreifende Finalisierungen. MultiversX kombiniert alle drei Sharding-Typen in einem Design und hat in Testnetzen Durchsätze von Hunderttausenden TPS nachgewiesen, obwohl die reale Nutzung geringer war.

TON-Arbeitsketten

TON verdient eine besondere Erwähnung, da sein Sharding-Modell ungewöhnlich ehrgeizig ist. Die Masterchain koordiniert die Arbeitsketten, und jede Arbeitskette kann sich bei zunehmender Last dynamisch in Shardchains aufteilen und bei abnehmender Last wieder zusammenführen. Dieses „Infinite-Sharding-Paradigma“ ist für die Bewältigung großer Mengen konzipiert, ohne dass eine manuelle Shard-Bereitstellung erforderlich ist. Wenn Sie einen tieferen Einblick wünschen, wenden Sie sich an unseren engagierten TON-Sharding guide breaks down the masterchain, workchains, and shardchains hierarchy in detail.

Ethereum und Sharding

Die Beziehung von Ethereum zum Sharding ist eine der interessantesten Fallstudien im Protokolldesign. Die ursprüngliche Roadmap für Ethereum 2.0 aus dem Jahr 2017 sah 64 Ausführungs-Shards vor, von denen jeder seinen eigenen Status und seine eigene Transaktionsverarbeitung hat und alle von der Beacon-Kette koordiniert werden. Die Beacon Chain selbst startete im Dezember 2020 und eine Zeit lang ging die Community davon aus, dass die vollständige Ausführung des Shardings nur noch wenige Jahre entfernt sei.

Dann kam der aufrollbare Pivot. Ende 2020 schlug Vitalik Buterin vor, dass Ethereum statt der Sharding-Ausführung auf Layer 1 Rollups zum primären Skalierungsinstrument machen und stattdessen die Shard-Datenverfügbarkeit nutzen sollte. Der Grund dafür war, dass Rollups, insbesondere ZK-Rollups, eine schnellere Skalierbarkeit der Ausführung liefern könnten als der Neuaufbau der EVM über mehrere Shards hinweg, und dass sich die Basisschicht auf das konzentrieren könnte, was sie am besten kann: Abwicklung und Datenverfügbarkeit. Die Community stimmte zu und das Exekutions-Sharding wurde praktisch auf Eis gelegt.

Was es ersetzt hat, ist Danksharding. Danksharding wurde vom Ethereum-Forscher Dankrad Feist vorgeschlagen und verwandelt Ethereum in eine Datenverfügbarkeitsschicht für Rollups. Anstelle mehrerer Ausführungs-Shards bietet die Kette „Blobs“, das sind große Datenblöcke, die an Blöcke angehängt, aber nicht von der EVM verarbeitet werden. Rollups veröffentlichen ihre komprimierten Transaktionsdaten als Blobs, erhalten günstigen Speicher und erben die Sicherheit von Ethereum. EIP-4844, auch Proto-Danksharding genannt, wurde 2024 ausgeliefert und führte Blob-tragende Transaktionen als Vorläufer des vollständigen Dankshardings ein.

Im Jahr 2026 ist Ethereum mitten in der Einführung von vollständigem Danksharding, das den Blob-Durchsatz drastisch erhöht und Datenverfügbarkeitsstichproben einführt, sodass kein einzelner Knoten jedes Blob herunterladen muss. Der Endzustand ist eine Kette, in der Rollups die Ausführung übernehmen, Blobs eine kostengünstige Datenverfügbarkeit bereitstellen und gewöhnliche vollständige Knoten alles durch Stichproben und kryptografische Verpflichtungen überprüfen. Es ist Sharding, aber nicht die Art, die die Roadmap von 2017 versprochen hat.

Datenverfügbarkeitsstichprobe

Datenverfügbarkeitsstichprobe, oft abgekürzt als DAS, ist eine der wichtigsten Innovationen in der Blockchain-Skalierbarkeitsforschung und verdient einen eigenen Abschnitt. Das dadurch gelöste Problem ist unkompliziert: In jedem Shard- oder Rollup-basierten System muss das Netzwerk sicher sein, dass die Daten hinter einem Block tatsächlich veröffentlicht wurden, auch wenn kein einzelner Knoten sie vollständig heruntergeladen hat. Ohne diese Garantie könnte ein böswilliger Blockproduzent einen Header veröffentlichen, die Daten jedoch zurückhalten, was die Betrugserkennung unmöglich macht.

Die naive Lösung besteht darin, von jedem Knoten zu verlangen, dass er alle Daten herunterlädt, aber das macht den Sinn des Shardings zunichte. DAS löst dieses Problem durch Erasure Coding und Zufallsstichproben. Die Blockdaten sind löschcodiert, sodass 50 % der codierten Bytes ausreichen, um die vollständigen Daten wiederherzustellen. Jeder Knoten tastet dann zufällig kleine Abschnitte der codierten Daten aus dem Netzwerk ab. Wenn ein Produzent Daten zurückhält, werden die fehlenden Slices schnell bei vielen unabhängigen Samplern auftauchen und der Block kann abgelehnt werden, bevor er finalisiert wird.

Die Mathematik ist wunderschön. Bei nur wenigen Dutzend Zufallsstichproben pro Knoten wird die Wahrscheinlichkeit, einen fehlenden Datenblock nicht zu erkennen, verschwindend gering. Dies bedeutet, dass selbst sehr einfache Clients, einschließlich mobiler und browserbasierter Clients, an der Überprüfung der Datenverfügbarkeit teilnehmen können, ohne die gesamte Kette herunterladen zu müssen. data availability sampling is at the heart of Ethereum's full danksharding plan and is also the core technology behind Celestia, the first chain designed from scratch as a dedicated data availability layer.

Celestia und ähnliche Projekte gehören zur modularen Blockchain-Bewegung, die Ausführung, Abwicklung, Konsens und Datenverfügbarkeit in spezialisierte Schichten unterteilt. Ein Rollup könnte Transaktionen ausführen, Streitigkeiten auf Ethereum beilegen, über seinen eigenen Sequenzer einen Konsens erzielen und Daten zur Verfügbarkeit an Celestia senden. Sharded-Data-Layer und modulare Architekturen verfolgen die gleiche Vision: Halten Sie jede Funktion eng, skalieren Sie jede Layer unabhängig und lassen Sie den Markt die beste Kombination auswählen.

Einschränkungen und offene Probleme

Trotz all seiner Versprechen birgt Sharding immer noch ungelöste Probleme, mit denen sich Forscher und Ingenieure täglich auseinandersetzen. Am schwierigsten ist nach wie vor die splitterübergreifende Atomizität. Die heute verwendeten Zwei-Phasen-Commit-Protokolle funktionieren, führen jedoch zu Latenzen, die Shard-übergreifende Transaktionen auf mehrere Slots ausdehnen können. Für Anwendungen, die auf synchrone Zusammensetzbarkeit angewiesen sind, wie komplexe DeFi-Protokolle, die mehrere Schritte atomar ausführen müssen, ist diese Latenz eine echte Einschränkung. Einige Teams erforschen eine optimistische Cross-Shard-Ausführung mit Rollback, die sich für den Benutzer synchron anfühlt, aber einen regelmäßigen Abgleich unter der Haube erfordert.

MEV über Shards hinweg ist ein weiteres offenes Problem. In einer monolithischen Kette verfügt der Validator, der den Block erzeugt, über ein einziges Fenster, in dem er den maximal extrahierbaren Wert extrahieren kann. In einer Shard-Kette können sich MEV-Möglichkeiten über mehrere Shards erstrecken, was eine Koordination zwischen Blockproduzenten in verschiedenen Gremien erfordert. Dadurch entstehen neue Angriffsvektoren wie Bestechung zwischen Shard-Anführern oder selektive Zensur von Shard-übergreifenden Nachrichten. Die MEV-Forschungswelle von 2024 bis 2026 hat mehrere vorgeschlagene Abhilfemaßnahmen hervorgebracht, einschließlich der Ausweitung der Trennung zwischen Antragsteller und Bauherrn auf Sharding-Umgebungen, aber keine davon wurde vollständig in großem Maßstab umgesetzt.

Der Lastausgleich des Validators ist ein ruhigeres, aber wichtiges Thema. Wenn ein Shard beliebter wird als die anderen, vielleicht weil eine beliebte dApp darauf lebt, sind seine Validatoren mit höheren Rechen- und Speicheranforderungen konfrontiert. Adaptive Sharding-Designs wie MultiversX versuchen, durch Aufteilen heißer Shards ein dynamisches Gleichgewicht herzustellen, aber der Prozess ist nicht trivial und führt neue Fehlermodi ein. Das Nur-Chunks-Produzentenmodell von NEAR trägt diesem Problem teilweise Rechnung, indem es den Chunk-Produzenten ermöglicht, sich auf bestimmte Shards zu spezialisieren, während die Validatoren flexibel bleiben.

Langfristige Zustandsbeweise, zustandslose Validierung und Zeugengrößen sind ebenfalls aktive Forschungsbereiche. Der Traum ist eine Shard-Kette, in der jeder Knoten, einschließlich Telefon-Clients, jeden Block auf jedem Shard mit minimalen Daten überprüfen kann, indem er kryptografische Beweise verwendet, um den Zustand zu komprimieren, der sonst Terabytes betragen würde. Verkle-Bäume, Merkle-Gebirge und rekursive ZK-Beweise spielen alle in dieser Zukunft eine Rolle. Wir sind noch nicht am Ziel, aber die Richtung ist klar.

Die Zukunft des Shardings

Die Zukunft des Shardings sieht nicht wie die Vision monolithischer Ketten mit 64 Ausführungspartitionen aus dem Jahr 2017 aus. Es sieht aus wie ein modularer Stapel, in dem Shard-Datenverfügbarkeitsschichten unter Rollup-Ökosystemen liegen und sich Schicht-1-Sharding und Schicht-2-Rollups ergänzen, anstatt zu konkurrieren. Das Danksharding von Ethereum und die Rollup-zentrierte Roadmap sind der deutlichste Ausdruck dafür, aber Cosmos-Zonen mit gemeinsamer Sicherheit, die elastischen Skalierungsparachains von Polkadot und das unendliche Sharding von TON sind allesamt wandelbare Pfade.

Erwarten Sie, dass die Datenverfügbarkeit in den nächsten Jahren zur Ware wird. Mehrere Ketten konkurrieren darum, die günstigste und zuverlässigste DA-Schicht für Rollups und App-Ketten anzubieten. Sharding wird die zugrunde liegende Technik sein, die diesen Wettbewerb ermöglicht, denn ohne sie könnte keine einzelne Kette das Datenvolumen von Tausenden von Rollups und App-Ketten bewältigen. Möglicherweise sehen wir sogar spezielle Shards für bestimmte Arbeitslasten, z. B. einen Shard, der für Handelsdaten mit geringer Latenz optimiert ist, und einen anderen für die Archivspeicherung.

Die kettenübergreifende Zusammensetzbarkeit wird sich mit zunehmender Reife der Shard-übergreifenden Nachrichten erheblich verbessern. Die gleichen Protokolle, die es Parachains ermöglichen, miteinander zu kommunizieren oder Workchains über TON hinweg zu koordinieren, können verallgemeinert werden, um Rollups nativ kommunizieren zu lassen, ohne auf Brücken von Drittanbietern angewiesen zu sein. Dies ist einer der Gründe, warum die modulare Bewegung und das Sharded-Chain-Ökosystem zusammenwachsen: Sie teilen sich die Infrastrukturbedürfnisse.

Aus Entwicklersicht wird Sharding eher zu einem Backend-Problem als zu einem Frontend-Problem. Die frühen Shard-Ketten zwangen Entwickler dazu, gründlich darüber nachzudenken, auf welchem ​​Shard ihr Vertrag läuft, wie sie mit asynchronen Aufrufen umgehen und wie sie den Zustand über Partitionen hinweg verwalten. Die neueren Designs verbergen mehr davon hinter Tooling- und Laufzeitabstraktionen und ermöglichen es Entwicklern, Code zu schreiben, der wie eine einzelne Kette aussieht, obwohl er über viele Shards hinweg ausgeführt wird. Während sich dieser Trend fortsetzt, wird Sharding in der Infrastruktur verschwinden und die meisten Benutzer werden es nie bemerken, ähnlich wie CDN-Caching oder Datenbank-Sharding in herkömmlichen Web-Apps.

FAQs

Verwendet Ethereum immer noch Sharding?

Ja, aber nicht in der ursprünglich geplanten Weise. Ethereum wechselte vom Ausführungs-Sharding zum Daten-Sharding, das als Danksharding bezeichnet wird. Die Beacon Chain koordiniert immer noch eine Shard-Datenverfügbarkeitsschicht, und EIP-4844 führte im Jahr 2024 als ersten Schritt Blob-tragende Transaktionen ein. Das vollständige Danksharding wird bis 2026 eingeführt und wird die Datenverfügbarkeitskapazität der Kette dramatisch erweitern, was vor allem Rollups zugute kommt. Die Kette ist also fragmentiert, nur für Daten und nicht für die Ausführung.

Was ist der Unterschied zwischen Sharding und Rollups?

Sharding ist eine Skalierungstechnik der Schicht 1, die die Basiskette in mehrere parallele Ketten aufteilt, die von verschiedenen Validierungsausschüssen verarbeitet werden. Rollups sind Layer-2-Konstruktionen, die Transaktionen außerhalb der Kette ausführen und Ergebnisse an die Basisschicht zurücksenden, wobei sie die Sicherheit der Basisschicht entweder durch Betrugsnachweise oder wissensfreie Nachweise erben. Sharding skaliert die Basisebene, Rollups skalieren darüber. Sie ergänzen sich und der moderne Stack nutzt beide.

Ist Sharding sicher?

Sharding kann sicher sein, wenn es richtig gestaltet ist. Das Hauptrisiko ist die Übernahme eines einzelnen Shards, bei dem ein Angreifer seinen Einsatz auf einen bestimmten Shard konzentriert. Zu den Standardverteidigungen gehören zufällige Ausschusszuweisungen, häufige Rotation, pfahlgewichtete Stichprobenziehung und Quorumsbescheinigung. In Kombination mit Datenverfügbarkeitsstichproben und wirtschaftlichen Anreizen wie Kürzungen erreichen moderne Sharded-Ketten ein Sicherheitsniveau, das mit monolithischen Ketten vergleichbar ist, obwohl das Sicherheitsmodell komplexer zu begründen ist. A 51 % Angriff auf einem einzelnen Shard mit schwacher Zufälligkeit wäre viel billiger als der Angriff auf die gesamte Kette, weshalb die Qualität der Zufälligkeit so wichtig ist.

Was ist Datenverfügbarkeitsstichprobe?

Das Datenverfügbarkeits-Sampling ist eine Technik, mit der Light Nodes überprüfen können, ob Blockdaten veröffentlicht wurden, ohne den gesamten Block herunterzuladen. Die Daten sind löschcodiert, sodass jeder Bruchteil davon das Ganze und die Knoten zufällig rekonstruieren kann sample kleine Slices aus dem Netzwerk. Wenn Daten zurückgehalten werden, werden die fehlenden Slices bei vielen Samplern schnell angezeigt. DAS ist von zentraler Bedeutung für den Danksharding-Plan von Ethereum und für dedizierte Datenverfügbarkeitsketten wie Celestia.

Welche Blockchains nutzen Sharding im Jahr 2026?

Zu den Shard-Produktionsketten im Jahr 2026 gehören NEAR Protocol (Nightshade), Zilliqa, Polkadot (Parachains), MultiversX (adaptives State-Sharding) und TON (Workchains und Shardchains). Ethereum implementiert Daten-Sharding über Danksharding. Celestia und ähnliche modulare Ketten nutzen Sharding-Adjacent-Techniken für die Datenverfügbarkeit. Bei jedem Entwurf werden unterschiedliche Kompromisse zwischen Ausführungs-Sharding, Zustands-Sharding und Daten-Sharding getroffen, aber alle teilen die Kernidee der Aufteilung der Arbeitslast auf parallele Gremien.

Kann eine Shard-Kette intelligente Verträge unterstützen, die sich über mehrere Shards erstrecken?

Ja, aber die Entwicklererfahrung unterscheidet sich von einer monolithischen Kette. Die meisten Shard-Ketten erfordern, dass Shard-übergreifende Vertragsaufrufe asynchron sind, was bedeutet, dass der Anrufer einen Anruf plant und das Ergebnis in einem späteren Block zurückkommt. Die versprechungsbasierte API von NEAR ist ein repräsentatives Beispiel. Einige Designs zielen darauf ab, durch optimistische Ausführung mit Rollback eine synchrone Cross-Shard-Zusammensetzbarkeit zu ermöglichen, doch heutige Produktionsbereitstellungen stützen sich stark auf asynchrone Muster, was Einfluss darauf hat, wie DeFi-Protokolle und -Spiele auf Shard-Ketten aufgebaut sind.

Fazit

Sharding ist eine der tiefgreifendsten Architekturideen im Blockchain-Engineering. Es nimmt das Trilemma direkt in Angriff, indem es die Arbeit auf Validierungsausschüsse verteilt, den Status auf Shards aufteilt und über eine Beacon-Kette koordiniert. Wenn es gut gemacht ist, liefert es einen Durchsatz, der mit der Shard-Anzahl skaliert und gleichzeitig Dezentralisierung und Sicherheit bewahrt. Schlecht durchgeführt, eröffnet es neue Angriffsflächen und verkompliziert das Entwicklererlebnis. Die Ketten, die Sharding erfolgreich eingeführt haben, haben Jahre damit verbracht, das Design zu iterieren, und die Lehren aus NEAR, Zilliqa, Polkadot, MultiversX und TON haben die gesamte Branche informiert.

Das Bild für 2026 ist nuancierter als die Vision für 2017. Das reine Ausführungs-Sharding ist weitgehend dem Daten-Sharding plus Rollups gewichen, wobei modulare Architekturen spezialisierte Schichten für Ausführung, Abrechnung, Konsens und Datenverfügbarkeit kombinieren. Die Umstellung von Ethereum von 64 Ausführungs-Shards auf Danksharding plus Rollups ist das sichtbarste Beispiel, aber es ist Teil eines breiteren Branchenkonsenses. Unabhängig davon, ob Sie ein DeFi-Protokoll erstellen, eine Kette für die Bereitstellung auswählen oder einfach nur verstehen möchten, wohin sich die Krypto-Infrastruktur entwickelt, ist Sharding ein Konzept, das es wert ist, eingehend kennengelernt zu werden.

Wenn Sie das nächste Mal eine Kette sehen, die mit „100.000 TPS“ oder „unendliche Skalierbarkeit“ wirbt, schauen Sie sich an, wie sie Sharding implementiert. Fragen Sie, ob Netzwerk, Transaktionen, Status oder Daten aufgeteilt werden. Überprüfen Sie, wie die Ausschüsse randomisiert werden, wie Shard-übergreifende Nachrichten funktionieren und ob die Datenverfügbarkeitsstichprobe Teil des Stacks ist. Die Antworten verraten Ihnen weit mehr über die eigentliche Technik der Kette als jede Marketingfolie. Kombinieren Sie dieses Wissen mit einem Verständnis von PoW vs. PoS Konsensmechanismen, und Sie haben die Grundlage, jede neue Blockchain nach ihren technischen Vorzügen und nicht nach ihrem Hype zu bewerten.