Dieser Artikel wurde zuerst von The Bit Journal veröffentlicht.
Blockchain Sharding lässt sich mit dem Bau paralleler Autobahnen für Transaktionen vergleichen. Nehmen wir zum Beispiel das Netzwerk von Ethereum: Jeder Shard (Teilstück) verwaltet sein eigenes separates Subnetzwerk aus Daten und Transaktionen. Dadurch können mehrere Transaktionen gleichzeitig (parallel) verarbeitet werden.
Dies erhöht den Durchsatz erheblich und entlastet gleichzeitig die einzelnen Knotenpunkte (Nodes). In herkömmlichen Blockchains muss jeder Knoten alle Transaktionen ausführen (was das System langsam macht). Sharding hingegen ermöglicht es dem Netzwerk, horizontal zu skalieren, indem die Arbeit auf verschiedene Shards aufgeteilt wird. Wenn die Nutzung zunimmt, hilft Sharding dabei, die Transaktionsgeschwindigkeiten hoch und die Gebühren niedrig zu halten.
Blockchain Sharding erklärt: Lösung für Skalierbarkeitsprobleme
Ethereum und andere Blockchains hatten mit zunehmender Nutzung oft mit Überlastung und hohen Gebühren zu kämpfen. Blockchain Sharding löst dies durch eine Partitionierung des Netzwerks. Im Wesentlichen ist Sharding der Prozess der Aufteilung einer Datenbank. Bei Blockchains bedeutet dies, dass das Hauptbuch und die Validatoren in kleinere Gruppen (Shards) unterteilt werden, damit sie Transaktionen parallel verarbeiten können.
Diese Idee stammt ursprünglich aus Datenbanksystemen und gehört zu den wichtigsten Innovationen für die Skalierbarkeit von Blockchains. Durch die Aufteilung von Transaktionen auf Shards werden Skalierbarkeitsprobleme wie folgt gelöst:
Erhöhter Durchsatz: In einem Netzwerk mit parallelen Shards können viele Transaktionen gleichzeitig bestätigt werden. Shards ermöglichen es Blockchains, mehr Transaktionen zur gleichen Zeit zu verarbeiten und dabei Sicherheit sowie Dezentralisierung zu bewahren.
Minimierte Anforderungen an Knoten: Jeder Knoten verarbeitet nur die Daten seines eigenen Shards, nicht mehr die der gesamten Kette. Das bedeutet, dass pro Knoten weniger Rechenleistung und Speicherplatz benötigt werden, was den Betrieb eines vollständigen Knotens (Full Node) erleichtert. Je mehr Knoten vorhanden sind, desto besser ist die Dezentralisierung.
Kosteneffizienz: Mehr Kapazität bedeutet in der Regel weniger Überlastung. Eine auf Sharding basierende Blockchain kann mit einer steigenden Anzahl von Transaktionen skalieren. Dies senkt oft die durchschnittlichen Gebühren im Vergleich zu einem voll ausgelasteten Einzelkettensystem. Beispielsweise reduzierte das EIP-4844 Upgrade von Ethereum (eine Art von Sharding) die Gebühren auf Layer 2 um das 10 bis 100 fache.
Fehlerisolierung: Da jeder Shard halbautonom ist, können Ausfälle oder Angriffe auf einen einzelnen Shard begrenzt werden. Der Schaden legt dadurch nicht das gesamte Netzwerk lahm.
Sharding bringt jedoch auch eigene Herausforderungen mit sich. Transaktionen, die über mehrere Shards hinweg verlaufen, sind schwer zu koordinieren. Zudem ist ein Shard, wenn er zu klein ist, anfälliger für Angriffe, sofern er nicht ordnungsgemäß gesichert wird.
Wie Sharding funktioniert
Dies sind die Prozesse in einer Blockchain mit Sharding:
Partitionierung der Kette: Die Blockchain wird in verschiedene Shards (oder Partitionen) unterteilt, von denen jeder seinen eigenen Satz an Konten, Verträgen und einen eigenen Verlauf hat. Im Grunde ist jeder Shard eine Mini Blockchain.
Parallele Verarbeitung: Die Validatoren (oder Miner) jedes Shards verarbeiten nur Transaktionen für diesen speziellen Shard. Das bedeutet, dass Shards parallel laufen können, was die Gesamtverarbeitungsleistung des Netzwerks erhöht. Während Shard A zum Beispiel eine Gruppe von Transaktionen validiert, kann Shard B zur gleichen Zeit eine andere validieren.
Kommunikation zwischen Shards: Dies wird durch maßgeschneiderte Protokolle unterstützt. Wenn eine Transaktion Konten auf verschiedenen Shards betrifft, senden sich die Shards gegenseitig Nachrichten. So wird sichergestellt, dass die Transaktion nur ausgeführt wird, wenn sie auf beiden Seiten gültig ist. Dies ist der Weg, um ein gemeinsames Hauptbuch beizubehalten, selbst wenn eine Aufteilung vorliegt.
Übertragung an die Hauptkette: In regelmäßigen Abständen wird der neue Block oder Status jedes Shards zusammengefasst und in einer Hauptkette, der Beacon Chain (Singleton Root Chain), veröffentlicht. Dies verankert die Arbeit der Shards in einem globalen Gesamtzustand. Im Design von Ethereum hinterlegt jeder Shard ein Bündel von Transaktionen (im Blockformat) in der Beacon Chain, um das gesamte Netzwerk synchron zu halten.
Im Grunde verwandelt Blockchain Sharding eine langsame Fahrspur in viele parallele Spuren. Der Gesamtdurchsatz schießt in die Höhe, während sich die Transaktionen über die Shards verteilen.
Vorteile und Nachteile
| Merkmal | Traditionelle Blockchain | Sharded Blockchain |
| Durchsatz | Alle Knoten verarbeiten alle Transaktionen nacheinander, daher niedrige TPS. | Shards verarbeiten Transaktionen parallel, was die TPS massiv erhöht. |
| Knotenanforderungen | Knoten speichern den vollen Verlauf und validieren jede Transaktion (hoher Hardwarebedarf). | Jeder Knoten bearbeitet nur die Daten eines Shards, was Speicher und CPU Bedarf stark senkt. |
| Gas / Gebühren | Können bei hoher Last stark ansteigen (z. B. überlastetes Ethereum). | Höhere Kapazität pro Block bedeutet oft niedrigere Durchschnittsgebühren, besonders bei sinkenden Rollup Kosten. |
| Sicherheit | Sehr hoch, da alle Knoten alles verifizieren. | Sicher, erfordert aber sorgfältiges Design; jeder Shard hat weniger Validatoren, daher Schutz gegen spezifische Shard Angriffe nötig. |
| Komplexität | Einfacher (keine Koordination von Shards nötig). | Komplexer: Konsens zwischen Shards und Datenverfügbarkeit müssen geregelt werden. Koordinationsaufwand ist nötig. |
| Skalierbarkeit | Begrenzt durch Blockgröße und Zeit (z. B. 10 bis 15 TPS bei Ethereum). | Skaliert horizontal: Neue Shards können bei Bedarf hinzugefügt werden, was Tausende TPS ermöglicht. |
Was bedeutet Sharding für Ethereum 2.0 (Proto- und Danksharding)
Vor dem Merge sah der ursprüngliche Ethereum 2.0 Plan 64 Shard Chains vor, um den Durchsatz zu steigern. In dieser Vision sollte eine Beacon Chain die Validatoren Komitees für jeden Shard koordinieren.
Bis 2022 wechselte Ethereum jedoch zu einem Rollup zentrierten Ansatz. Anstelle von Shards für die vollständige Ausführung (Execution Shards) konzentriert sich Ethereum nun auf Upgrades für die Datenverfügbarkeit von Layer 2 Lösungen. Diese Variante ist als Danksharding bekannt.
Dieser Prozess begann mit EIP-4844 (Proto-Danksharding), das im Dencun Upgrade implementiert wurde. Dies fügte einen neuen Transaktionstyp hinzu, der mit sogenannten Blobs (Dateneinheiten bis zu 125 kB) arbeitet und KZG Verpflichtungen nutzt. Blobs sind temporäre Daten, die von Ethereum Knoten gespeichert werden.
Einfach ausgedrückt hat Ethereum nun eine eigene Datenspur für große Mengen an Rollup Daten. Diese Änderung erzeugt selbst noch keine separaten Shards, bereitet aber den Weg für echtes Sharding in der Zukunft vor.
Wichtig ist, dass EIP-4844 das Veröffentlichen von Daten für Rollups um das 10 bis 100 fache günstiger gemacht hat, was die Transaktionsgebühren auf Layer 2 erheblich senkt. Blobs ermöglichen Rollups einen kosteneffizienten Datenzugriff, ohne den Speicherbedarf auf jedem einzelnen Knoten aufzublähen.
Aktuell baut Ethereum diese Datenschicht schrittweise aus. Das Pectra Upgrade im Mai 2025 verdoppelte die Anzahl der Blobs pro Block von 3 auf 6, was die Kosten weiter halbierte.
Dann folgte am 3. Dezember 2025 Fusaka mit PeerDAS (Peer-to-Peer Data Availability Sampling). PeerDAS ermöglicht es Knoten zu verifizieren, dass riesige Datenmengen veröffentlicht wurden, ohne sie selbst herunterladen zu müssen. Fusaka erhöht die Datenbandbreite des Netzwerks erheblich und erlaubt es, mehr Transaktionen zu niedrigen Kosten durchzuschleusen.
Ethereum Gründer Vitalik Buterin stellt fest, dass PeerDAS die erste funktionierende Implementierung von Daten Sharding ist. Er warnt jedoch, dass dies noch kein vollständiges Sharding darstellt. Bisher verarbeitet die Basisschicht von Ethereum Blöcke immer noch nacheinander, wobei sich alle Transaktionen denselben globalen Pool teilen.
Mit anderen Worten: Ethereum 2.0 verteilt heute Daten (um Rollups zu skalieren), teilt aber die Ausführung der Transaktionen noch nicht auf Shards auf. Buterin betont das Ziel der Roadmap: Sobald die Rollup und zkEVM Technologie ausgereift ist, wird Ethereum diese Skalierungswerkzeuge nach innen richten, um die Gaskapazität des Mainnets selbst zu skalieren.
In der Zukunft ist Danksharding als eines der großen Ziele von Ethereum gelistet. Das bevorstehende Glamsterdam Upgrade (2026) soll voraussichtlich Zugriffstlisten auf Blockebene und die Trennung von Proposer und Builder enthalten, was die Tür für eine noch schnellere Datenverarbeitung öffnet.
Der aktuelle Fokus von Ethereum liegt also darauf, Sharding Konzepte zur Unterstützung der Layer 2 Skalierung zu nutzen, anstatt sofort zu versuchen, die eigene Ausführung in viele unabhängige Ketten aufzuteilen. Experten beschreiben das Ziel von Ethereum so: Die Verifizierungsarbeit über das Netzwerk aufteilen, anstatt von jedem Knoten zu verlangen, alles zu replizieren.
Für Nutzer bedeuten diese Upgrades rund um das Ethereum Sharding Transaktionen, die auf Rollups um ein Vielfaches günstiger und schneller sind. Allein EIP-4844 hat die Rollup Gebühren um eine Größenordnung gesenkt. Die geplanten weiteren Erhöhungen der Bandbreite werden die Überlastung und die Gaspreise weiter reduzieren. Diese Verbesserungen sollen letztlich dazu beitragen, dass das Netzwerk Millionen weiterer Nutzer bedienen kann, ohne die Sicherheit zu gefährden.
Insgesamt revolutioniert der Fortschritt von Ethereum 2.0 die Art und Weise, wie sich Daten durch die Kette bewegen. Dies ist ein entscheidendes Puzzleteil, um auf Tausende von Transaktionen pro Sekunde zu skalieren.
Fazit
Blockchain Sharding bleibt ein grundlegendes Konzept für die Skalierung dezentraler Netzwerke. Durch die Aufteilung einer Blockchain in parallele Shards kann der Transaktionsdurchsatz vervielfacht werden, ohne dass jeder Knoten die gesamte Arbeit verrichten muss.
Speziell für Ethereum 2.0 zeigt sich das Erbe des Shardings in den jüngsten Updates: Proto-Danksharding (EIP-4844) und verwandte Upgrades fügen eine hochkapazitive Datenschicht hinzu, die Layer 2 Rollups deutlich günstiger macht. Diese Entwicklungen lösen einen Großteil des Skalierbarkeitsproblems von Ethereum, indem sie die Verifizierungsarbeit zwischen den Knoten aufteilen.
Glossar
Shard: Eine Partition von Daten und Validatoren in einer Blockchain. Man kann sich jeden Shard als eine Mini Blockchain vorstellen, die einen Teil der Netzwerktransaktionen eigenständig verarbeitet.
Shard Chain (Ethereum): Im Design von Ethereum würde eine Shard Chain einen Teil der Transaktionen abwickeln. Jede Shard Chain übermittelt ihren Status regelmäßig an die Beacon (Haupt) Chain.
Beacon Chain: Die Proof of Stake (PoS) Konsensschicht von Ethereum 2.0. Sie koordiniert Validatoren und schließt die Blockproduktion ab.
Danksharding: Ein Begriff für Ethereums Art des Shardings, die sich auf die Datenverfügbarkeit konzentriert. Danksharding bündelt Blobs von Informationen in Blöcken, um Layer 2 Rollups zu erleichtern.
Blob (Ethereum): Eine große (125 KB) Dateneinheit in einem neuen Transaktionstyp, der durch EIP-4844 eingeführt wurde.
Layer 2 Rollup: Ein zweites Netzwerk, das über Ethereum liegt. Es speichert Rohdaten von Transaktionen außerhalb der Kette und sendet komprimierte Daten an Ethereum.
PeerDAS: (Peer-to-Peer Data Availability Sampling) Eine Funktion im Fusaka Upgrade (2025), die es Ethereum Knoten ermöglicht, die Datenverfügbarkeit zu prüfen, ohne alles herunterladen zu müssen.
Häufig gestellte Fragen zu Blockchain Sharding
Was ist Blockchain Sharding?
Sharding ist eine Skalierungslösung, die das Netzwerk in kleinere Teile (Shards) unterteilt. Jeder Shard verarbeitet seine eigenen Transaktionen.
Wie macht Sharding die Blockchain effizienter?
Sharding steigert die Leistung durch Parallelisierung der Arbeit. Mit Sharding verarbeiten mehrere Gruppen von Validatoren verschiedene Transaktionen gleichzeitig, was den Gesamtdurchsatz des Netzwerks erhöht.
Was ist das Sharding von Ethereum 2.0 (Danksharding)?
Die Ethereum 2.0 Roadmap führte die Idee des Dankshardings ein. Dabei benötigen Layer 2 Ketten eher Datenverfügbarkeit als unabhängige Shards für die Ausführung. Wichtige Merkmale sind EIP-4844 (das Proto-Danksharding Upgrade), das spezielle Daten Blobs zu Blöcken hinzufügt, und PeerDAS, das die Datenverifizierung ohne vollständigen Download durch alle Knoten ermöglicht.
Was sind die Herausforderungen beim Sharding?
Sharding erhöht die Komplexität und bringt gewisse Sicherheitsrisiken mit sich. Um Transaktionen über Shards hinweg zu koordinieren, sind neue Protokolle für Konsens und Kommunikation erforderlich. Kleinere Shards (mit wenigen Validatoren) können anfälliger für Angriffe sein, wenn sie nicht gut gesichert sind. Entwickler müssen Verifizierungsmechanismen zwischen den Shards entwickeln, um die Konsistenz des Netzwerks zu wahren.
Referenzen
