Шардинг криптовалют: перспективы и недостатки нового способа масштабируемости блокчейна

Многие разработки сейчас стремятся решать проблемы масштабирования. На сегодняшний день несколько, и многие известные компании продолжают работать в этом направлении. В этом материале мы поговорим о шардинге – форме разделения баз данных, с целью разгрузки основной системы.

Шардинг – что это?

Стремительное развитие сферы блокчейна принесло миру криптовалют не только массу новых возможностей, включая объединение пользователей по всему миру, создание децентрализованных экономических систем, отказ от монополизма, но и ряд проблем. Одна из них стала наиболее актуальной, о ней много говорят в самом пространстве – проблема масштабируемости сетей. Ее преодоление позволит сетям выйти на новый уровень, потому что масштабируемость напрямую связана с притоком новых пользователей в блокчейны, созданием новых проектов и перегрузками сетей. Крупнейшие блокчейн-платформы, например Биткоин или Ethereum, сейчас стали хуже работать при нагрузке во время повышенного спроса. Такие задержки в транзакциях тормозят и развитие индустрии в целом.

Шардинг – это одно из главных решений для масштабирования блокчейнов первого уровня. Также шардингом принято считать стратегию масштабируемости баз данных и приложений. Процесс использования этой стратегии называют шардированием. Самыми известными сетями считаются BNB Smart Chain (BNB), Ethereum (ETH), Биткоин (BTC) и Solana.

Масштабируемость блокчейна с сохранением децентрализованности и безопасности – технически очень трудная задача. Технология шардинга, по предположениям экспертов-разработчиков, должна с ней справиться.

Описание процесса шардинга криптовалют

Говоря простым языком, шардинг – это новая форма разделения базы данных блокчейна, которую применяют к его распределенным реестрам. Огромные базы дробятся на мелкие функциональные кусочки, тем самым нагрузка распределяется более равномерно.

За распределение данных в блокчейне отвечаю ноды – основные точки или узлы сети. Они позволяют передавать информацию напрямую друг другу, не подключая третий контролирующий орган (таким образом достигается децентрализация). В связи с гигантскими нагрузками на сеть, нодам требуются дополнительные “помощники” для обработки данных. Ими и стали так называемые шарды, которые взяли на себя часть задач нод. Каждый шард наделен собственными подразделениями: нодами (узлами), транзакциями, смарт-контрактами, отдельными блоками.

Принцип работы шардинга:

1. Выбирается один масштабный блок информации (логический набор данных), который предстоит шардировать
2. Информация из общей базы данных этого блока делится на микроблоки и распределяется по разным серверам (шардам).
3. Налаживается взаимосвязь между всеми блоками для корректной работы системы.

Зачем нужен шардинг?

Блокчейнам первого уровня необходимо, чтобы все узлы их сетей хранили и обрабатывали всю информацию о проведенных транзакциях (полную копию всего блокчейна). Ноды отвечают за хранение:

• баланса счетов;
• кодов контрактов;
• всех дополнительных данных.

При этом ноды участвуют в обработке всех транзакций. По большому счету, они составляют собой один огромный сетевой узел.

С течением времени ноды наполняются, и скорость их работы снижается, а вместе с этим растут комиссии за переводы. Отметим отдельно, что скорость – крайне важный фактор при работе с высоковолатильными и нестабильными акциями. Скорость блочной цепи обычно определяется скоростью работы одного узла.

Технология шардинга избавляет ноды от этой необходимости и положительно влияет на работу всего блокчейна в целом. Теперь каждый узел будет сообщать основной цепи о проделанной работе, предоставляя только результат (ключевые показатели), а не полный отчет. Стоит отметить, что шардинг при работе будет внедряться на уровне протокола.

Преимущества шардинга

Давайте углубимся в преимущества, которыми обладает шардинг

• Масштабируемость и увеличение пропускной способности транзакций

Основная привлекательность шардинга заключается в его способности экспоненциально увеличивать производительность сети по обработке транзакций.
Подобное разделение открывает возможности для параллельной обработки. Это означает, что вместо одного набора блоков, проверяющих каждую транзакцию, переводы одновременно обрабатываются несколькими т. н. шардами.

В результате сегментирование обещает позволить сетям блокчейнов обрабатывать значительно больше транзакций в секунду (TPS), устраняя узкие места масштабируемости, от которых страдают традиционные блокчейны.

• Уменьшение комиссий за транзакции и скорости подтверждения

Сегментирования способствует значительному сокращению платежных комиссий и времени подтверждения. По мере того как способность сети обрабатывать переводы увеличивается из-за параллельной обработки по сегментам, перегрузка уменьшается. Уменьшение перегрузки приводит к более быстрому подтверждению транзакций и значительному снижению комиссий, что делает сеть более рентабельной для пользователей. Этот аспект имеет огромный потенциал для возможного более широкого внедрения, что сделает технологию блокчейна более доступной и экономически выгодной для повседневных транзакций.

• Увеличение эффективности сети и использования ресурсов

Шардинг оптимизирует использование сетевых ресурсов, обеспечивая большую эффективность. Распределяя задачи проверки транзакций и хранения данных между несколькими сегментами, общая рабочая нагрузка сети балансируется. Такое равновесие приводит к более эффективному использованию ресурсов, предотвращая узкие места, которые обычно возникают в централизованных системах обработки. Следовательно, сеть становится более устойчивой, адаптируемой и способной принять растущую базу пользователей без ущерба для производительности.

Шардинг и путь к эволюции блокчейна

Трансформирующий потенциал шардинга заключается не только в его непосредственных преимуществах, но и в его способности заложить основу для более масштабируемой, эффективной и доступной экосистемы блокчейна. Благодаря усиленной масштабируемости, снижению транзакционных издержек и оптимизированному использованию ресурсов шардинг становится краеугольным камнем в раскрытии истинного потенциала технологии блокчейн, предвещая эпоху широкого внедрения и инноваций.

Значимость механизма Proof-Of-Stake для шардинга

Переход блокчейнов на механизм консенсуса Proof-Of-Stake обеспечивает дополнительную безопасность системе и увеличивает вычислительные мощности ее узлов. Оставаясь на раннем механизме Proof-Of-Work, ноды блокчейна, подверженные шардингу, ослабли бы настолько, что хакерам не составило бы особого труда их взломать.

В случае с шардингом на PoS, злоумышленники не смогут сконцентрироваться на одном шарде, так как вся необходимая информация будет распределена между несколькими.

Какие существуют протоколы шардинга?

Давайте углубимся в сравнительное исследование известных протоколов шардинга, таких как Ethereum 2.0 и Zilliqa, и прольем свет на их различные подходы к шардингу.

Ethereum 2.0

Ethereum, один из новаторских блокчейнов, подвергается значительному обновлению до Ethereum 2.0 для решения проблем масштабируемости. В этом обновлении представлено решение для сегментирования на основе архитектуры Beacon Chain и Shard Chains.

• Beacon Chain: служит координатором сети Эфириум, управляя назначениями валидаторов и консенсусом при помощи Proof of Stake (PoS). Он устанавливает всеобъемлющую структуру для координации цепочек сегментов.
• Цепочки шардов (Shard Chains). Именно они и делят сеть на более части, чтобы не создавать высокую нагрузку на сеть и увеличить скорость обработки

Zilliqa

Zilliqa – блокчейн-платформа, разработанная для приложений которые уже обладают высокой скоростью обработки транзакций. Проект реализует уникальный механизм сегментирования, известный как «Сетевое сегментирование».

На платформе, как и обычно сеть делят на более мелкие шарды. Затем создаются условия для параллельной обработки транзакции. Он использует механизм консенсуса с необычным названием «Практическая византийская отказоустойчивость» (PBFT) внутри сегментов, увеличивая возможности сети. При этом, что все больше сегментов участвуют в проверке транзакций.

В чем отличия этих платформ?

Обе сети выполняют одну и ту же функцию – справляются с издержками масштабируемости посредством шардинга, но используют разные методологии.

• Механизм консенсуса. В сети Эфириума используется PoS в качестве механизма консенсуса как для Beacon Chain, так и для Shard Chains, тогда как Zilliqa использует PBFT внутри отдельных шардов.
• Структура шардов. Второй уровень Эфириума фокусируется на создании сегментов, которые обрабатывают смарт-контракты и переводы средств. Напротив, Zilliqa разделяет свою сеть для обработки транзакций.
• Назначения валидаторов. Beacon Chain в Ethereum 2.0 управляет назначениями валидаторов по шардам, а Zilliqa в динамике назначает узлы шардам в зависимости от спроса, оптимизируя использование ресурсов.

Недостатки шардинга

Может показаться, что шардинг – идеальный способ для разрешения главных проблем блокчейна. К сожалению, если бы это было так, то его массовое принятие решило все существующие проблемы в процессах транзакций.

Проблемы безопасности: уязвимость к атакам 51%

В такой сегментированной среде архитектура безопасности сети становится более сложной. Целью шардинга является распределение рабочей нагрузки между сегментами, но он также создает риск ослабления общей безопасности сети. Одной из серьезных проблем является потенциальная уязвимость к атакам 51% внутри отдельных сегментов. Если злоумышленник получит контроль над большинством узлов внутри сегмента, он сможет манипулировать транзакциями или механизмами консенсуса. Следом это подорвет целостность всего сегмента.

Поддержание согласованности между шардами

Шардинг создает проблему для обеспечения согласованности и целостности данных во всей сети. Поскольку транзакции обрабатываются независимо внутри сегментов, синхронизация и согласование данных в этих подмножествах становятся обязательными. Несоответствия между сегментами могут привести к сетевым конфликтам в общем состоянии блокчейна, влияя на его надежность и безопасность.

Возможные решения по снижению рисков

• Усиленные меры безопасности

Реализация надежных мер безопасности в отдельных сегментах имеет решающее значение. Такие методы, как шифрование, безопасные многосторонние вычисления и постоянный мониторинг подозрительных действий, могут повысить устойчивость каждого сегмента к атакам.

• Межсегментные протоколы связи и консенсуса

Разработка эффективных протоколов межсегментной связи и механизмов консенсуса становится первостепенной задачей. Эти механизмы должны обеспечивать плавное взаимодействие между сегментами. Одновременно сохранится согласованность данных и будут предотвращены конфликты или двойные расходы в разных подмножествах сети.

Где еще применялась технология шардинга?

Шардинг – явление, которое появилось до изобретения криптовалют. Стратегия шардирования широко применялась еще в конце 90-х годов прошлого века в сфере управления традиционными централизованными базами данных.

Сам термин «шард» стал известен благодаря многопользовательской ролевой онлайн-игре Ultima Online. В ней разработчики, с целью разгрузки системы, распределили игроков по разным «мирам» (серверам), и таким образом справились с гигантским трафиком и избежали перегрузок.

В результате, разделение блокчейнов на отдельные уравляемые сегменты позволяет решить одну из наиболее значительных проблем криптовалютного мира – проблему масштабируемости. Без этого криптоиндустрия не способна продвигаться дальше в развитии, а стоять на месте ей уже непозволительно – слишком много пользователей на сегодняшний день вовлечены в эту историю.

Завершение

Заглядывая в будущее, продолжающиеся исследования, совместные усилия и интеграция надежных мер безопасности будут способствовать раскрытию всего потенциала шардинга. Именно благодаря коллективным усилиям все участники криптосреды смогут перейти к новой экосистеме блокчейнов. В ней не только решаются проблемы масштабируемости, но и уделяет приоритетное внимание безопасности, надежности и доступности для пользователей по всему миру.

Шардинг, обещающий масштабируемость и эффективность, стоит в авангарде эволюции блокчейна, предлагая нам перейти к децентрализованному будущему, которое будет одновременно инновационным и безопасным.

FAQ

Как шардинг соотносится с общим секционированием?

Поскольку шардинг используется не только в криптосреде, есть зонтичное понятие, которое охватывает и другие способы влияния нагрузки на сеть – секционирование. Поэтому шардинг – частный случай секционирования.

Какие есть другие способы решения проблем масштабируемости?

Другими популярными способами, которые применяются в работе с базами данных, является, например, репликация – процесс дублирования сервера, когда данные просто переносятся на еще один набор носителей. Также часто можно встретить сравнение в партиционированием. Этот процесс отличается от шардинга более просто системой разделения объектов информации. Такой способ не применяется в криптосреде.