Технология блокчейн и появление биткоина в корне изменила представление о деньгах. Но несмотря на множество ее преимуществ есть и проблемы, которые пытаются решить разработчики. Одна их них — отсутствие масштабируемости. Шардинг пытается решить эту задачу, сохраняя при этом децентрализованную природу блокчейнов.
Что такое шардинг в блокчейне
Шардинг впервые был использован в больших базах данных, распределяя их по нескольким серверам. Это сделало его методом масштабирования и стало использоваться блокчейнами для разделения состояний и обработки транзакций. Благодаря шардингу каждому узлу сети нужно обрабатывать только часть всех транзакций. Более того, выполняется их параллельная обработка. Также, sharding увеличивает пропускную способность сети по мере ее расширения и роста числа валидаторов — свойство, называемое горизонтальным масштабированием.
Простыми словами шардинг — это разделение всего блокчейна на несколько более мелких, называемых шардами. Шард означает маленькую часть целого. В управлении базами данных это подмножество большой базы данных, размещенной на отдельном сервере. Хотя каждый шард содержит фрагменты данных, все они образуют один логический набор данных.
Шард содержит уникальные данные и независим от других. В результате хранилище в одноранговой сети не так перегружено. Таким образом, узлы могут выполнять больше транзакций за более короткое время. После шардинга каждый узел хранит только те данные, которые относятся к его части.
Для чего используется шардинг в блокчейне
Основная цель шардинга для блокчейна — повысить масштабируемость. Поскольку транзакции могут обрабатываться и проверяться быстрее, требуется меньше времени.
Реализация шардинга также снижает вероятность централизации сети. В настоящее время для поддержки всей информации, обрабатываемой в этих сетях, блокчейны Bitcoin и Ethereum требуют использования оборудования с высокой вычислительной мощностью. Оборудование с высокой стоимостью приобретения может быть доступно лишь немногим пользователям.
Благодаря внедрению шардинга не нужно хранить весь блокчейн в одном узле, что исключит необходимость покупки дорогостоящего оборудования. Это обеспечит его децентрализацию, позволяя гораздо большему количеству людей использовать обычное оборудование для участия в сети.
Как работает шардинг в блокчейне
Рассмотрим этот процесс по шагам:
- Разделение: изначально блокчейн делится на несколько частей, каждая из которых обрабатывает определенное подмножество транзакций. Каждый shard блок работает как мини-блокчейн со своим уникальным набором узлов, историей транзакций и состоянием;
- Параллельная обработка: в каждом шарде транзакции обрабатываются независимо и одновременно. Это означает, что пока один шард обрабатывает определенный набор транзакций, другой shard может одновременно обрабатывать другой набор транзакций. Такая одновременная обработка увеличивает скорость и эффективность блокчейна;
- Межшардовая коммуникация: для поддержания целостности блокчейна во всех шардах должен быть механизм, позволяющий частям взаимодействовать друг с другом. Это облегчается с помощью специальных протоколов или систем межшардовой коммуникации, которые гарантируют, что транзакции, включающие несколько частей, выполняются бесперебойно и точно;
- Консенсус внутри шардов: каждый shard использует механизм консенсуса для согласования действительности транзакций в пределах своего подмножества. Распространенные механизмы включают Proof of Stake (PoS) или Proof of Work (PoW), в зависимости от архитектуры блокчейна;
- Приверженность основному блокчейну: после проверки транзакций в пределах шарда они суммируются в блок и возвращаются в основную сеть блоков. Это гарантирует, что вся цепочка остается актуальной и синхронизированной, сохраняя целостность реестра и извлекая выгоду из эффективности параллельной обработки.
Примеры блокчейн-шардинга
Каждый пример показывает, как шардинг помогает платформам масштабироваться, сокращать расходы и повышать скорость. Эта технология жизненно важна для удовлетворения растущего спроса на более быстрые и надежные блокчейн-сервисы.
Различные платформы начали внедрять или находятся в процессе внедрения шардинга для улучшения своих сетевых возможностей. Вот несколько примеров:
- Ethereum 2.0: как важная веха в технологии блокчейна, обновление Ethereum до Ethereum 2.0 успешно реализовало sharding для повышения масштабируемости и эффективности сети. Интеграция 64 шардов заметно расширила емкость сети, позволяя одновременно обрабатывать транзакции и хранить данные в нескольких разделах.
Каждый шард работает независимо со своей историей транзакций, облегчая параллельную обработку, которая уменьшает задержку и повышает пропускную способность. Эта разработка представляет собой важный шаг вперед в эволюции Ethereum, соответствующий его целям по поддержке более широкого спектра приложений и увеличения объемов транзакций. Нацелен на 100 тыс. TPS. Позволяет обрабатывать множество задач dApps и DeFi; - Zilliqa: эта блокчейн-платформа была одним из пионеров внедрения технологии шардинга. Это помогает Zilliqa справляться с высокими транзакционными нагрузками. Zilliqa сосредоточилась на адаптации процесса шардинга, чтобы он был особенно полезен для децентрализованных приложений, которым требуется высокая пропускная способность. Обрабатывает 2828 транзакций в секунду;
- Polkadot не является прямой реализацией традиционного шардинга, он использует похожую концепцию через свою архитектуру парачейна. Парачейны работают как независимые цепи, но связаны между собой через Polkadot Relay Chain. Эта структура позволяет обрабатывать множество транзакций в разных цепях одновременно, что аналогично шардингу. Поддерживает до 10 тыс. транзакций в секунду;
- Near Protocol реализует sharding с немного другим подходом, называемым “Nightshade”, который направлен на оптимизацию способности сети к динамическому масштабированию. Nightshade разделяет нагрузку сети на управляемые фрагменты, позволяя системе обрабатывать транзакции быстрее и эффективнее. Снижает потребность в хранении на 40%, снижая затраты и повышая эффективность;
- Harmony: еще один блокчейн, использующий шардинг для масштабирования транзакций. Он фокусируется на скорости обработки и времени проверки, что делает его идеальным для создания децентрализованных приложений, требующих быстрого завершения транзакций.
Другие решения для масштабирования блокчейна
| Показатель | Шардинг | Решения уровня 2 | Сайдчейны |
|---|---|---|---|
| Определение | Разделяет сеть на более мелкие части. А они в свою очередь обрабатывают собственные транзакции и смарт-контракты; | Создает вторичные протоколы поверх основного блокчейна для обработки транзакций вне блокчейна; | Отдельные блокчейны, связанные с основной цепочкой, позволяют осуществлять независимую обработку транзакций; |
| Масштабируемость | Увеличивает емкость за счет параллельной обработки на нескольких сегментах; | Выгружает транзакции из основной цепочки для повышения скорости без изменения базового уровня; | Расширяет емкость сети за счет добавления параллельных цепей; |
| Безопасность | Поддерживает безопасность посредством межсетевого взаимодействия и механизмов консенсуса; | Безопасность частично зависит от базового блокчейна, что влечет за собой некоторые дополнительные риски; | Потенциально более слабая безопасность по сравнению с основной цепочкой, риск изолированных векторов атак; |
| Сложность | Требует сложной координации и консенсуса между сегментами; | Включает в себя сложные офчейн-протоколы и маршрутизацию транзакций; | Необходимы надежные механизмы для межсетевого взаимодействия и консенсуса; |
| Примеры | Near, Polkadot, Zilliqa | Lightning Network Bitcoin, оптимистичные обновления Ethereum | Poligon |
Преимущества и недостатки шардинга
| Плюсы | Минусы |
|---|---|
| Увеличение скорости транзакций: сегментирование способствует увеличению пропускной способности сети по причине параллельной обработке транзакций; | Проблемы безопасности: деление сети на мелкие сегменты может сделать их более уязвимыми для атак; |
| Сокращение затрат на обработку и хранение: узлы в сегментированном блокчейне обрабатывают только часть данных, что снижает требования к оборудованию и упрощает присоединение к сети большего количества участников; | Данные и информация: шарды не могут работать, если у них нет доступа к требуемым источникам и необходимой информации и данным. Обеспечение того, чтобы каждый шард имел то, что ему требуется, — это довольно серьезная работа, требующая внимания и мониторинга; |
| Повышение производительности сети: сегментирование помогает поддерживать и даже повышать производительность сети за счет более равномерного распределения рабочей нагрузки; | Сложная реализация: разработка сегментированных блокчейнов является технически сложной задачей из-за сложностей в сетевой архитектуре, механизмах консенсуса и управлении данными; |
| Взаимодействие и гибкость: процессы и методы шардинга могут быть сформированы в зависимости от требований блокчейна. Таким образом, он гибок в своей работе; | Распределение ресурсов: справедливое распределение вычислительных ресурсов и хранилища между сегментами — сложный и ресурсоемкий процесс; |
| Увеличенный объем памяти: снимается давление с основного блокчейна. Для блокчейнов с большей базой пользователей хранение является большой проблемой. Шардинг решает эту проблему, не замедляя процесс; | Сложности с консенсусом: достижение консенсуса между несколькими сегментами требует сложных механизмов, позволяющих избежать несоответствий; |
| Поддержание децентрализации благодаря распределению данных, необходимых для обработки транзакций, по нескольким узлам; | Обновление и обслуживание: по мере развития блокчейна обновление протокола шардинга может стать обременительным и рискованным. |
Заключение
Шардинг представляет собой метод разделения базы данных, который играет решающую роль в повышении масштабируемости и эффективности блокчейнов, особенно в контексте Web3. По мере роста децентрализованных приложений (dApps) и сервисов растет спрос на более быстрые и эффективные решения блокчейнов. Sharding позволяет блокчейну обрабатывать несколько транзакций одновременно, поскольку каждый шард работает независимо, снижая нагрузку на основную цепь.
Разделяя сеть на более мелкие, управляемые части, шардинг минимизирует перегрузку, что приводит к более быстрому подтверждению транзакций и улучшению пользовательского опыта. Узлы должны поддерживать только часть данных блокчейна. Это демократизирует доступ и поощряет более широкое участие в экосистеме. Одни проекты наподобие Ethereum 2.0, внедряют шардинг для улучшения масштабируемости. Другие блокчейн-платформы, такие, как Zilliqa, успешно использовали шардинг для повышения производительности.
Но внедрение шардинга, как и любых новшеств имеет свои преимущества и недостатки, а также не является единственным способом достижения масштабируемости блокчейна.
13.06.2023
