Sharding

Was ist Sharding?

Sharding ist eine Skalierungsmethode für Blockchains, bei der das Netzwerk in mehrere parallele „Partitionen“ aufgeteilt wird. Dadurch verarbeitet und speichert jeder Node nur einen Teil der Daten und Transaktionen. Das steigert den Gesamtdurchsatz der Blockchain erheblich.

Ein Node ist in diesem Zusammenhang ein Server oder Computer, der am Netzwerk teilnimmt und gemeinsam das Hauptbuch pflegt. Sharding verteilt die Aufgaben auf die Nodes, sodass nicht jeder Node jede Transaktion verarbeiten muss. Das beschleunigt und verbilligt die Abläufe im Netzwerk. Für Sicherheit und Konsistenz ist eine Kommunikation zwischen den Shards sowie eine netzwerkweite Konsenskoordination erforderlich.

Warum ist Sharding für Blockchains wichtig?

Sharding löst die Skalierungsprobleme klassischer Blockchains, bei denen jeder Node alle Transaktionen verarbeiten muss. Bei hoher Auslastung entstehen Engpässe, die Bestätigungen verzögern und Gebühren steigen lassen.

Ist Ethereum beispielsweise überlastet, stößt die Basisschicht an ihre Kapazitätsgrenzen und die Transaktionskosten steigen deutlich. Sharding verteilt die Verarbeitung und Datenspeicherung auf mehrere Partitionen, erhöht die Bandbreite, beschleunigt Bestätigungen und stabilisiert Gebühren. Entwickler profitieren von mehr Datenkapazität, wodurch komplexere Anwendungen wie On-Chain-Gaming oder großvolumige Social-Messaging-Dienste möglich werden.

Wie funktioniert Sharding?

Sharding basiert auf „Partitionierung + Komitees + netzwerkweitem Konsens“. Jeder Shard ist eine schlanke Sub-Chain mit eigener Blockerstellung und Validierung, bleibt aber Teil des Hauptnetzwerks.

Validatoren sind Nodes, die durch das Staken von Assets an der Blockerstellung und -überprüfung teilnehmen. Das Netzwerk wählt Validatoren zufällig zu Komitees aus, die innerhalb definierter Zeiträume einzelne Shards überwachen. Die Zufallsauswahl reduziert das Risiko von Absprachen.

Datenverfügbarkeit bedeutet, dass „Daten tatsächlich vom Netzwerk gespeichert und für jeden zugänglich sind“ – vergleichbar mit einer Sicherung des öffentlichen Hauptbuchs. Sharding garantiert diese Verfügbarkeit, indem Daten veröffentlicht und von vielen Nodes bestätigt werden, sodass spätere Validierung und Wiederherstellung möglich bleibt.

Zur Sicherung der Konsistenz werden Shard-Blöcke letztlich durch den Konsens des Hauptnetzwerks bestätigt. So können Shards parallel arbeiten, während die Blockchain ein einheitliches, sicheres Hauptbuch bewahrt.

Wie werden Transaktionen zwischen Shards verarbeitet?

Transaktionen zwischen Shards erfolgen meist über ein asynchrones Nachrichtenmodell: Eine Transaktion im Quell-Shard erzeugt eine Nachricht oder Quittung, die nach Bestätigung im Ziel-Shard ausgeführt wird.

Schritt 1: Die Transaktion wird im Quell-Shard ausgelöst und erzeugt eine verifizierbare Nachricht, die den Transfer oder die Operation dokumentiert.

Schritt 2: Die Nachricht wird per netzwerkweitem Konsens festgehalten; andere Shards erkennen die Existenz. Der Ziel-Shard wartet auf ausreichende Bestätigungen („Finalität“), sodass der Eintrag nicht mehr rückgängig gemacht werden kann.

Schritt 3: Der Ziel-Shard nimmt die Nachricht entgegen, führt sie aus, aktualisiert Salden oder Zustände und speichert dies in seinem Block.

Dieses Modell verzichtet auf synchrone Atomizität zugunsten von Skalierbarkeit und Sicherheit. Für Nutzer können Cross-Shard-Transaktionen etwas langsamer sein als interne Transfers. Nach Erreichen der Finalität bleiben Sicherheit und Nachvollziehbarkeit aber gewährleistet.

Wie ist der aktuelle Stand von Ethereum-Sharding?

Die Ethereum-Sharding-Roadmap wurde von „Execution-Layer-Sharding“ auf „Data Sharding“ umgestellt, wobei die Skalierung nun zusammen mit Rollups erfolgt. Im März 2024 brachte das Dencun-Upgrade EIP-4844 (Proto-Danksharding), das einen Blob-Datenkanal einführte und die Datenkosten für Rollups deutlich senkte (Ethereum Foundation, März 2024).

Nach EIP-4844 sanken die Gebühren für einfache Transfers auf verschiedenen Layer-2-Netzwerken auf wenige Cent (L2Fees, März–Juni 2024). Im Oktober 2024 ist vollständiges Danksharding – das Daten-Sharding und Sampling-Mechanismen erweitert – noch in Entwicklung, um die Datenbandbreite für leistungsfähige Anwendungen weiter zu erhöhen.

EIP-4844 bezeichnet eine Ethereum-Protokollaktualisierung; Blob ist ein spezieller Großdatenkanal, den Rollups nutzen, um günstiger Nachweise und gebündelte Transaktionen auf dem Mainnet zu veröffentlichen.

Wie ergänzen sich Sharding und Rollup?

Sharding und Rollups arbeiten Hand in Hand: Sharding erhöht die Datenbandbreite und garantiert Verfügbarkeit im Mainnet, während Rollups die Transaktionsverarbeitung auf Layer 2 übernehmen und relevante Daten und Nachweise auf das Mainnet schreiben.

Rollups bündeln zahlreiche Transaktionen und reichen die wichtigsten Datensätze im Mainnet ein. Sharding stellt dafür ausreichend Speicherplatz bereit, sodass jeder diese Datensätze herunterladen und prüfen kann. So bleibt die Sicherheit hoch und die Kosten sinken deutlich.

Was sind die wichtigsten Anwendungsfälle für Sharding?

Für Nutzer bietet Sharding stabilere Bestätigungen und niedrigere Gebühren – besonders in Rollup-basierten Ökosystemen. Typische Anwendungsfälle sind Transfers, On-Chain-Gaming, Nachrichtenverifikation auf Social-Plattformen und massenhaftes NFT-Minting.

Entwickler profitieren von mehr Bandbreite für umfangreiche Event-Logs, Batch-Orderbücher und detaillierte On-Chain-Analysen. Mit Rollups kann rechenintensive Verarbeitung Off-Chain erfolgen, während die entscheidenden Daten über Mainnet-Sharding-Kanäle veröffentlicht werden.

So nutzen Sie die Vorteile von Sharding:

Schritt 1: Wählen Sie ein Layer-2-Netzwerk (z. B. Arbitrum, Optimism, Base), das Daten über den Ethereum-Blob-Kanal veröffentlicht.

Schritt 2: Wählen Sie auf der ETH-Einzahlungs- oder Auszahlungsseite bei Gate Ihr Netzwerk aus. Achten Sie auf Netzwerkinformationen und Gebühren – vermeiden Sie Transaktionen bei hoher Auslastung.

Schritt 3: Nutzen Sie kompatible Wallets und Apps, um auf diesen Netzwerken Gelder zu transferieren, zu handeln oder zu spielen; prüfen Sie Bestätigungen und Gebühren im Detail.

Wie unterscheidet sich Blockchain-Sharding von klassischem Datenbank-Sharding?

Klassisches Datenbank-Sharding skaliert zentralisierte Systeme unter Kontrolle eines Teams. Transaktionen zwischen Shards setzen auf starke Konsistenzprotokolle oder Zwei-Phasen-Commit für Atomizität.

Blockchain-Sharding muss Sicherheit in einer offenen, potenziell feindlichen Umgebung gewährleisten. Es nutzt zufällig gebildete Komitees und kryptografische Nachweise, um Manipulationen zu verhindern. Asynchrone Nachrichten übertragen Ergebnisse zwischen Shards, da es keinen zentralen Koordinator gibt. On-Chain-Sharding priorisiert Finalität und Datenverfügbarkeit gegenüber globalen, atomaren Echtzeit-Transaktionen.

Welche Risiken birgt Sharding?

Zu den Risiken zählen Verzögerungen und Komplexität bei der Kommunikation zwischen Shards, Sonderfälle im Smart-Contract-Design sowie seltene Ausfälle der Datenverfügbarkeit.

Für die Sicherheit von Assets bedeuten Cross-Shard- oder Cross-Chain-Bridges Zwischenzustände, die auf Bestätigung warten; achten Sie auf gefälschte Nachrichten oder nicht finalisierte Einträge. Die Nutzung ausgereifter Protokolle, Prüfung von Audits und Risikostreuung sind bewährte Vorsichtsmaßnahmen.

Nutzer sollten Wallet- und App-Kompatibilität prüfen, Netzwerk-Updates verfolgen und Gebühren im Blick behalten; Entwickler müssen asynchrone Logik sorgfältig implementieren – keine strikte Atomizität voraussetzen, sondern robuste Retry- und Rollback-Strategien einbauen.

Sharding: Die wichtigsten Erkenntnisse

Sharding ist eine zentrale Skalierungslösung für öffentliche Blockchains. Durch parallele Verarbeitung und Datenspeicherung wächst die Netzwerkkapazität drastisch. Der moderne Ansatz kombiniert Data Sharding mit Rollup-basierter Ausführung. Ethereums EIP-4844 hat die Gebühren bereits deutlich gesenkt; vollständiges Danksharding wird die Datenbandbreite weiter erhöhen. Kurzfristig profitieren Nutzer über Layer-2-Netzwerke; langfristige Protokoll-Upgrades ermöglichen komplexere Anwendungen im geshardeten Ökosystem. Dennoch ist bei Kommunikation zwischen Shards und Asset-Sicherheit Vorsicht geboten.

FAQ

Welche Funktion hat ein Sharding Key?

Ein Sharding Key ist das zentrale Feld für die Verteilung von Daten auf die Shards. Ähnlich einem Klassifizierungs-Tag wird dieser Schlüssel gehasht, sodass das System Transaktionen oder Daten automatisch den jeweiligen Shards zuweist. Die richtige Wahl eines Sharding Keys sorgt für eine gleichmäßige Verteilung und verhindert Überlastungen.

Macht Sharding Transaktionen weniger sicher?

Sharding selbst schwächt die Sicherheit nicht, bringt aber neue Risiken. Da jeder Shard nur einen Teil der Validatoren enthält, könnten Angreifer gezielt einzelne Shards attackieren („Shard-Angriff“). Moderne Designs verteilen Validatoren dynamisch über Beacon Chains und sichern so eine hohe Netzwerksicherheit.

Müssen Gate-Nutzer beim Transagieren auf Sharding achten?

Nein. Sharding ist eine Optimierung auf Blockchain-Ebene und für Endnutzer unsichtbar. Beim Transagieren oder Handeln auf Gate übernimmt das System automatisch die Datenzuweisung und Koordination zwischen den Shards. Sharding bringt vor allem Entwicklern schnellere Dapps und steigert den Durchsatz des Netzwerks.

Warum setzen nicht alle Blockchains auf Sharding?

Sharding erhöht zwar den Durchsatz deutlich, macht das Netzwerk aber auch komplexer. Es erfordert ausgefeilte Protokolle für Cross-Shard-Kommunikation, konsistente Datenverarbeitung und Schutz vor Angriffen auf Shard-Ebene. Viele Projekte wählen einfachere Skalierungslösungen wie Rollups; Ethereum integriert Sharding schrittweise für maximale Kompatibilität und Sicherheit.

Wie gewährleisten Blockchains Reihenfolge und Konsistenz von Transaktionen über Shards hinweg?

Transaktionen zwischen Shards nutzen Zwei-Phasen-Commit oder asynchrone Nachrichten, um Konsistenz sicherzustellen. Ergebnisse aus Shard A werden festgehalten; andere Shards (z. B. Shard B) erhalten diese über Beacon Chains, bevor abhängige Transaktionen ausgeführt werden. Das führt zu leichten Verzögerungen, garantiert aber Konsistenz im gesamten Netzwerk.