Что такое шардинг в блокчейне

Блокчейн обеспечивает децентрализацию с прозрачностью и безопасностью. Часто он недостаточно масштабируемый. А масштабируемость, как безопасность и децентрализация является триллемой блокчейна. Решение трех условий является актуальной проблемой в сфере. Помощью может стать шардинг. Что такое шардинг в блокчейне, изучим далее подробно. 

Что такое шардинг?

Шардинг представляет собой метод разделения блокчейна или иной базы данных на мелкие чейны, которые управляют информационными сегментами. Вследствие механизма единый чейн не должен будет проводить обработку всех транзакций и сетевых операций. У каждой разделенной последовательности цепочки блоков есть свой реестр, и он именуется шардом. Он занимается обработкой своей транзакции, а основной блокчейн осуществляет управление взаимодействием реестром. 

В дополнение к теме, что такое шардинг в блокчейне, можно отметить, что это решение масштабируемости первичного уровня, потому что оно подразумевает сетевое изменение связного списка. Отличается большей эффективностью, чем подключение единой сети ethereum, работающей на Proof of Work.

Как работает шардинг?

Чтобы лучше понимать, что такое шардинг в блокчейне, нужно понять способы хранения, обработки данных цепочки блоков. Есть несколько вариантов того, как можно обрабатывать операции по транзакциям. Методика, при которой каждый узел системы обрабатывает весь транзакционный сетевой объем, является последовательной информационной обработкой данных. Каждая нода ответственна за хранение всей информации, включая баланс аккаунта, историю транзакции. Также она должна проводить обработку всех операций, сетевых транзакций и данных. 

Несмотря на то, что такая модель укрепляет безопасность регистрацией каждой транзакции нодой, она увеличивает время ожидания обработки информации. Альтернативой становится параллельная информационная обработка, которая позволяет выполнять одновременно две-три процедуры.

Шардинг – способ решения проблемы. Он дает разделить, распределить нагрузку транзакционной обработки по всей сети. В итоге каждому ноду не потребуется проводить обработку абсолютно всех операций блокчейна или осуществлять управление им.

Виды шардинга

Шардинг классифицируется по способам разделения данных. Наиболее распространены горизонтальные и вертикальные методики. Они способны результативно решать задачи по масштабированию и улучшать системную производительность экосистемы. Однако для выбора методики следует ознакомиться с их особенностями работы детальнее. 

Самый простой Шардинг

В самом простом воплощении вместо поддержки одного блокчейна трейдеру предстоит поддержать два и назвать каждый шардом. Каждый из них поддерживается независимым нодом, который осуществляет проверку транзакций и формирует блоки – валидаторы. Шард ответственен за определенное количество контрактов с аккаунтами. Внутри одного шарда происходят транзакции. 

Назначение валидаторов и центральный блокчейн

Каждый шард обладает своими валидаторами. Один блокчей более надежен, чем 10 шардов. Если блокчейн с валидаторами сделает хард форк в шардированной системе с 10 шардами, поделит валидаторы между реестрами, то получить контроль возможно будет только над половиной из них. Это нередко становится первостепенной задачей только в тот момент, когда часть из них в едином шарде. Назначение валидаторов осуществляется случайным числом, получение  которого – сегодня не до конца разрешенный  вопрос. 

И назначение валидаторов, и получение случайного числа – сложные вычисления, не характерные ни для какого-то сегмента. Для такого вычисления есть дополнительный блокчейн, существующий для выполнения системных вычислений. Он также занимается хэшами последних блоков с шардов, обработкой системных залогов в Proof-of-Stake, перебалансированием шардов. Эта технология называется Beacon chain в Ethereum 2.0.

Квадратичное шардирование

Шардинг нередко представляется решением, бесконечно масштабируемым с повышением численности нод. В действительности можно сформировать систему с подобным качеством. У узлов с центральным блокчейном возникает ограничение по количеству шард, значит, они недостаточно масштабируемые. Причина этому – отсутствие выполнения некоторых вычислений центральным блокчейном, назначения валидаторов, сохранение шардов. Поскольку центральный блокчейн не шардирован и его пропускная способность ограничивается пропуском ноды, количество реестров в поддержке ограниченное. 

Можно посмотреть изменение пропускной способности всей системы, если мощность нод вырастает в несколько раз. Каждый шард начинает делать обработку больших транзакций и поддерживает больше реестров. В итоге системная пропускная способность возрастает и носит название квадратичного шардирования. Невозможно представить количество шард, которое поддерживает центральный блокчейн. Возможно в ближайшее время не будет транзакционного лимита для блокчейна с квадратичным типом шардирования. 

Шардирование состояния

Состоянием называются все сведения по аккаунтам и контрактам. Если раньше шла речь об общем шардинге без уточнения конкретного объекта шардирования, то теперь стоит уточнить вопрос. Ноды в блокчейне созданы для выполнения большого количества транзакций, пересылки их и блоков другими нодами, хранения состояния и истории блокчейна. Каждая задача сопряжена с постоянно возрастающей нагрузкой на ноды. 

Необходимо повышение вычислительных мощностей, увеличение транзакций. Требуется больше пропускной сетевой способности и состояния, истории. Следует добавить, что требуемый объем памяти возрастает, даже если численность транзакций не изменяется.

В теории шардирование вычислений проще, чем состояний. Это связано с наличием у всех нод состояний. Так же легко они выполняют контракты. На практике шардирование состояний не сложное. Оно изолирует шарды и дает им становится независимыми блокчейнами. Шардовые валидаторы сохраняют специфичное шардам состояния и пересылают затрагивающих их состояния транзакции. Это снижает процессорную, сетевую нагрузку, но ведет к между-шардовым транзакциям. 

Между-шардовые транзакции

До этого мгновения шарды рассматривались в качестве независимых блокчейнов по типу выполнения транзакций. В таком случае невозможно выполнить перечисления денег между двумя учетками на нескольких различных реестрах, сделать вызов контактов на едином шарде из контракта на ином. И в том и в другом случае есть необходимость поддержки. 

Для решения проблем с между-шардовыми транзакциями разработаны такие современные методики:

1. Синхронный подход. 
2. Ассинхронный подход. 

В первом случае валидаторы в шардах функционируют совместно. Блоки в шардах воспроизводятся вместе. Во втором случае кросс-шардовые транзакции реализуются в шардовых блоках, которые они затрагивают ассинхронным образом, т.е. транзакционные части, которые добавляют денег, выполняются во втором шарде, когда валидаторы дают доказательство того, что часть транзакций выполняются в первом. Эта методика пользуется спросом сегодня, поскольку для нее не нужна дополнительная синхронизация шардов для блочного производства. Такой подход предлагается в Cosmos, Ethereum Serenity, Near Protocol, Kadena.

Горизонтальное и вертикальное разделение

Горизонтальное и вертикальное разделение представляют собой несколько ключевых подходов для увеличения баз данных. Независимо от того, что методики предназначены для результативного управления данными, рабочий принцип отличен. 

Шардинг является методом реализации деления по горизонтали. Данные в таком случае делятся на строчки, выстраиваются по базам. В каждой из них есть свои данные. Строчки в табличной форме неповторимы, потому их деление не ведет к ущербу целостности сведений. Ярким примером горизонтального деления становится распределение блокчейн-сетей Эфириума и Биткоина. 

В процессе вертикального деления данные подразделяются на столбцы, не на строки. В каждом разделе содержится много данных или единый набор информации для конкретного объекта. Ярким примером становится клиентская база данных. В ней дается контактная информация с описанием и фото. В ходе вертикального деления контактные данные могут быть в одной таблице, а описание с фото – в другой.

Преимущества шардинга 

Развитие технологий шардинга в скором времени может принести много дополнительной пользы блокчейну. В данное время преимуществами шардинга являются следующие моменты:

1. Увеличение скорости совершения перечислений. Шардинг способствует упрощению параллельной обработки запросов. Криптовалюта с ним отправляется в кошелек быстрее. Взаимен последовательному транзакционному анализу шардинг дает обрабатывать транзакции одновременно, в различных реестрах. Каждый шард функционирует независимо, приводит к увеличению транзакционной скорости, помогает всему узлу технически обслуживать большее количество пользователей. Примером может стать Ziliqa. Шардинг дает обработку десятков тысяч транзакций в секунду.
2. Снижение затрат на обработку и хранение информации. Классическая блокчейн-архитектура призывает каждую ноду сохранять все транзакции. В конечном счете с возрастанием блокчейна происходит повышение требований к оборудованию. Тем не менее в процессе шардинга каждая нода обрабатывает и хранит только часть информации. Это уменьшает численность ресурсов для сетевого функционирования нод.

1. Чем выше численность участников в сети, выступающих валидаторами, тем бюджетнее децентрализация. Технология позволяет поддержать уменьшение трат и не допустить появление ситуации, когда при обработке участвуют лица или организации, которые имеют дорогое вычислительное оборудование.
2. Улучшение сетевой производительности. Шардинг повышает кратный объем производительности с пропускной общей способностью. В традиционном блокчейне количество нод понижает уровень производительности вследствие повышения обмена информации и необходимости сопряжения. 

Современный принцип проектирования баз данных разрешает вопрос. Вследствие независимой, одновременной работы шардов система обрабатывает больше транзакций и осуществляет больше вычислительного объема. Когда происходит присоединение новой ноды, она добавляется в шард, а не к сети. Это увеличивает сетевую способность к масштабированию. Увеличение результативности дает стабильную транзакционную обработку с эксплуатационным удобством. 

Дальнейшее развитие шардинга принесет новые преимущества и позволит максимально улучшить блокчейн. 

Недостатки

В шардинге достаточно плюсов для повышения результативности блокчейна, однако у него есть некоторые недостатки. Среди потенциальных уязвимых мест технологии можно выделить: 

1. Возможность кибератаки с реестровым похищением. Чтобы управлять шардом, нужно минимум вычислительной мощности, чем для управления всей блокчейн-сетью. Это увеличивает возможность кибератаки на отдельные шарды. Злоумышленники могут похитить базы с небольшим количеством данных. 
2. Возможность удорожания проведения транзакций. Осуществление процедур между шардами может привести к неосторожному двойному расходу. Если в одном шарде неэффективно отслеживается состояние другого при транзакции, то появляется риск потери финансов. 
3. Блокировка доступа к данным. Шардинг работает в направлении к упрощению поддержки стабильного сетевого состояния. Если не будет доступа к определенным шардам вследствие перехода нод к автономному режиму, то увеличивается риск нарушения всей сетевой работы.
4. Небезопасность сети. Для использования шардинга требуется использование надежного протокола распределения общей нагрузки. Вследствие его отсутствия есть риск неравномерного информационного распределения, ресурсного дисбаланса и сетевой нестабильности. 
5. Синхронизация узлов. Вызывает сетевые задержки вследствие информационного обмена между различными объектами. Помимо того нод с наименьшим объемом вычислительной мощности или ненадежным подсоединением сети замедлит синхронизационный процесс и понизит общую сетевую производительность. 

Шардинг является важным шагом на пути к разрешению разных проблем в блокчейне. Несмотря на создание новых сложностей данной технологией и наличие определенных минусов, потенциальная возможность увеличения масштабируемости деятельности способна открыть множество перспектив для блокчейнане, причиняя ущерб процессу децентрализации. Разработчики различных проектов видят в шардинге потенциальное разрешение множества вопросов. Успех его внедрения будет зависеть от появления новых разработок.