TL;DR
Lo sharding divide una blockchain in "shard" più piccoli per gestire il problema della scalabilità legato alle reti Layer 1.
Lo sharding migliora la velocità delle transazioni, riduce al minimo i costi di elaborazione e archiviazione e migliora le prestazioni di rete.
Lo sharding presenta dei potenziali svantaggi, come i problemi di sicurezza della rete e la complessità delle transazioni cross-shard.
Introduzione
La tecnologia blockchain ha introdotto un potenziale senza precedenti in termini di decentralizzazione, trasparenza e sicurezza. Ma deve affrontare una sfida significativa: la scalabilità. La scalabilità è uno dei punti nel "trilemma blockchain," oltre alla sicurezza e la decentralizzazione. Raggiungere contemporaneamente tutti e tre è un problema costante nel panorama della blockchain. È qui che entrano in gioco le soluzioni strategiche come lo "sharding".
Cos'è lo sharding?
Lo sharding è un concetto preso in prestito dalla gestione tradizionale dei database. Si riferisce al processo di suddivisione di un database più grande in parti più piccole e più gestibili, chiamate shard. La sua applicazione nella blockchain mira a migliorare la scalabilità, pur mantenendo il principio della decentralizzazione. In sostanza, lo sharding si verifica quando una rete blockchain è divisa in parti più piccole note come shard, ciascuna in grado di elaborare parallelamente transazioni e smart contract.
Come funziona lo sharding?
Capire come viene eseguito lo sharding all'interno di una rete blockchain richiede una comprensione di come i dati blockchain vengono solitamente archiviati ed elaborati. Esistono diversi modi in cui i dati possono essere elaborati. Esamineremo l'elaborazione sequenziale e parallela.
In genere, ogni nodo blockchain è responsabile della gestione di tutto il volume delle transazioni all'interno della rete. Questo tipo di elaborazione dei dati viene comunemente definita elaborazione sequenziale. Ciò implica che ogni nodo deve mantenere e archiviare tutte le informazioni critiche, come i saldi dei conti e lo storico delle transazioni. In sostanza, ogni nodo deve elaborare tutte le operazioni di rete, i dati e le transazioni.
Sebbene questo modello rafforzi la sicurezza della blockchain registrando ogni transazione su tutti i nodi, rallenta drasticamente l'elaborazione dei dati. È qui che entra in gioco l'elaborazione parallela dei dati, che consente di eseguire più operazioni contemporaneamente.
Lo sharding può essere una potente soluzione a questo problema in quanto divide o "partiziona" il carico di lavoro transazionale sulla rete blockchain. Ciò significa che non tutti i nodi devono gestire o elaborare l'intero carico della blockchain.
Invece, lo sharding separa il carico di lavoro attraverso il partizionamento orizzontale. In questo processo, i dati vengono suddivisi in sottoinsiemi orizzontali, in cui ogni shard funge da database indipendente in grado di elaborare le transazioni separatamente dagli altri.
Partizionamento orizzontale e verticale
Il partizionamento orizzontale e il partizionamento verticale sono due approcci chiave per la scalabilità dei database. Sebbene entrambi siano progettati per gestire insiemi di dati di grandi dimensioni in modo più efficace, funzionano in modi fondamentalmente diversi. Lo sharding è un metodo comune per implementare il partizionamento orizzontale.
Nel partizionamento orizzontale, i dati sono divisi in righe e distribuiti su diversi nodi (o database), ciascuno contenente un sottoinsieme di dati. Ogni riga di una tabella è un'entità unica, quindi separarle non comporta la perdita dell'integrità dei dati. Un esempio importante di partizionamento orizzontale in uso è la distribuzione delle reti blockchain, come ad esempio Ethereum e Bitcoin.
Nel partizionamento verticale, i dati sono divisi in colonne, anziché in righe. Ogni partizione nel partizionamento verticale contiene un sottoinsieme di dati per ogni entità, o l'intero insieme di dati, ma solo per un determinato insieme di attributi. Ad esempio, considera una tabella cliente con colonne come Nome, Stato, Descrizione e Foto. In uno scenario di partizionamento verticale, "Nome" e "Stato" potrebbero essere mantenuti in una tabella e "Descrizione" e "Foto" in un'altra.
Perché si preferisce il partizionamento orizzontale?
Nelle reti blockchain il partizionamento orizzontale è generalmente preferito rispetto al partizionamento verticale per tre motivi principali: scalabilità, decentralizzazione e sicurezza.
Scalabilità: Lo sharding fornisce una soluzione suddividendo i dati in "shard" più piccoli e più gestibili. Ogni shard può operare in modo indipendente, consentendo di elaborare più transazioni contemporaneamente, migliorando la velocità e l'efficienza della rete. Considerando che con il partizionamento verticale, la distribuzione delle colonne tra diversi database potrebbe richiedere una maggiore complessità nel recupero di una transazione completa o di informazioni sul blocco e potrebbe limitare la scalabilità.
Decentralizzazione: In linea con l'etica principale della blockchain, il partizionamento orizzontale supporta la decentralizzazione. Quando i nodi devono elaborare solo una parte dei dati totali (uno shard), è possibile che un maggior numero di nodi partecipi alla rete, poiché gli oneri di calcolo e di archiviazione sono ridotti. Il partizionamento verticale, in confronto, limiterebbe questo aspetto, poiché ogni nodo dovrebbe avere accesso a tutte le partizioni (tutte le colonne di dati) per comprendere e verificare i dati del blocco completo.
Sicurezza e integrità dei dati: Il partizionamento orizzontale mantiene l'integrità dei dati perché ogni shard (o partizione) contiene dati di transazione completi, garantendo che ogni nodo abbia una copia completa e accurata della sua parte della blockchain. Nel partizionamento verticale, essenzialmente divideresti i dati di un blocco tra diversi nodi, rendendo difficile garantire l'integrità e la sicurezza dei dati, un aspetto fondamentale delle reti blockchain.
Quali sono i vantaggi dello sharding?
Analizziamo i potenziali vantaggi che lo sharding porta alla tecnologia blockchain:
Aumento della velocità delle transazioni: Lo sharding facilita l'elaborazione in parallelo delle transazioni. Invece di elaborare le transazioni una per una in modo sequenziale, lo sharding consente di elaborare le transazioni contemporaneamente ma su shard diversi. Ogni shard funziona in modo indipendente, aumentando così in modo significativo la velocità delle transazioni. Questo non solo accelera la velocità delle transazioni, ma porta anche l'intera rete a poter gestire più utenti, promuovendo l'adozione di massa.
Un esempio di rete blockchain esistente che utilizza gli shard per gestire la scalabilità è Ziliqa. Il meccanismo di sharding di Ziliqa consente di raggiungere migliaia di transazioni al secondo.
Costi di elaborazione e archiviazione ridotti al minimo: Il design convenzionale della blockchain obbliga ogni nodo a memorizzare tutte le transazioni, intensificando le esigenze hardware man mano che la blockchain cresce. Con lo sharding, invece, ogni nodo è responsabile dell'elaborazione e dell'archiviazione di solo una frazione dei dati dell'intera rete, il che riduce le risorse necessarie a un nodo per partecipare alla rete.
Pertanto, più partecipanti possono unirsi come validatori, migliorando la decentralizzazione della rete senza incorrere in costi proibitivi. Attenua i problemi in cui solo le entità con hardware costosi e di alto livello potrebbero realisticamente partecipare al processo, mantenendo così la natura democratizzata delle reti blockchain.
Prestazioni di rete migliorate: Lo sharding può contribuire a migliorare le prestazioni e la capacità complessive della rete. Nelle blockchain tradizionali, man mano che più nodi partecipano alla rete, le prestazioni diminuiscono paradossalmente a causa della necessità di una maggiore comunicazione dei dati e della sincronizzazione tra i nodi.
Tuttavia, lo sharding trasforma questo scenario. Visto che ogni shard funziona separatamente e contemporaneamente, il sistema può elaborare più transazioni e calcoli. Quando un nuovo nodo si unisce, può essere aggiunto a uno shard invece che all'intera rete, migliorando così la capacità di scalabilità della rete. L'efficienza è migliorata, portando a transazioni più fluide e a una migliore esperienza utente.
Ricorda che i progressi e i miglioramenti futuri della tecnologia di sharding possono creare altri vantaggi o rafforzare quelli esistenti, migliorando continuamente l'ecosistema blockchain.
Quali sono i limiti dello sharding?
Sebbene lo sharding offra diversi vantaggi potenziali che potrebbero aiutare le reti blockchain a diventare più efficienti, il processo introduce anche una serie di sfide uniche. Alcune potenziali vulnerabilità introdotte dallo sharding includono:
Attacchi Single Shard Takeover: In un ambiente di sharding, la potenza computazionale per impossessarsi di un singolo shard è notevolmente inferiore alla potenza richiesta per impossessarsi dell'intera rete. Questo rende tali singoli shard più vulnerabili ad a un one-percent attack" o un "shard takeover" - per cui un aggressore con una piccola quantità di risorse rispetto all'intera rete può potenzialmente impossessarsi di un singolo shard.
Transazioni cross-shard: Le transazioni che avvengono tra diversi shard (cross-shard) presentano una sfida unica. Le transazioni cross-shard sono complesse e potrebbero potenzialmente portare alla doppia spesa se non gestito con attenzione. Se uno shard non tiene traccia con precisione dello stato dell'altro shard durante una transazione, gli utenti possono sfruttarlo per "spendere due volte" (double spend).
Problemi di disponibilità dei dati: Lo sharding rende il mantenimento dell'intero stato della rete uno sforzo complesso. Se alcuni shard non sono disponibili quando richiesto (perché i nodi che mantengono tali shard sono offline), potrebbero verificarsi problemi di disponibilità dei dati, interrompendo l'intera rete.
Sicurezza della rete: Lo sharding richiede l'implementazione di un solido protocollo che bilancia il carico tra gli shard. Se non viene eseguito correttamente, ciò potrebbe portare a una distribuzione non uniforme dei dati o a uno squilibrio delle risorse, con conseguente potenziale instabilità della rete.
Sincronizzazione dei nodi: La sincronizzazione dei nodi può causare ritardi di rete a causa del tempo necessario per condividere e aggiornare le informazioni tra i diversi nodi. Inoltre, se un nodo con capacità di elaborazione o connessione di rete più lenta rimane indietro, potrebbe rallentare l'intero processo di sincronizzazione, riducendo le prestazioni complessive della rete blockchain.
Lo sharding è implementato su Ethereum?
Ethereum ha in programma di implementare lo sharding come parte del suo aggiornamento Ethereum 2.0. Ethereum 2.0, noto anche come Eth2 o Serenity, è un aggiornamento della blockchain di Ethereum che mira a migliorare la velocità, l'efficienza e la scalabilità della rete, consentendole di elaborare più transazioni e alleviare la congestione.
Al momento, l'aggiornamento viene implementato in più fasi, con la fase finale (Fase 2) che include la piena implementazione dello sharding. Gli sviluppatori di Ethereum sperano che questi miglioramenti risolvano alcune delle attuali sfide associate alla scalabilità e ai costi di transazione che la rete sta affrontando.
Tuttavia, è importante notare che l'implementazione dello sharding comporta una serie di sfide, in particolare per quanto riguarda il mantenimento della sicurezza e la decentralizzazione della rete. Pertanto, gli sviluppatori di Ethereum stanno riflettendo attentamente e testando a fondo questa transizione per garantire il successo dell'aggiornamento una volta implementato completamente.
In chiusura
Nel complesso, lo sharding rappresenta un notevole progresso verso la soluzione del trilemma blockchain. Sebbene introduca nuove complessità e possibili inconvenienti, il suo potenziale di aumentare la scalabilità senza compromettere la decentralizzazione è un'enorme promessa per il futuro delle reti blockchain.
Non c'è da stupirsi che varie blockchain stiano esplorando lo sharding come potenziale soluzione. Ethereum sta integrando lo sharding come parte dell'aggiornamento Ethereum 2.0 per risolvere i problemi di scalabilità. Questa implementazione dovrebbe avvenire attraverso l'aggiornamento Cancun, una componente fondamentale del piano complessivo di miglioramento. Tuttavia, come qualsiasi altra tecnologia in evoluzione, il successo dipenderà dalla ricerca continua, dallo sviluppo e dai test rigorosi delle implementazioni di sharding.
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