Осторожно! Много текста.
Шардинг разделяет блокчейн на более мелкие части (шарды), тем самым решая проблему масштабируемости, которая особенно актуальна в сетях первого уровня.
Шардинг повышает скорость транзакций и производительность сети, а также снижает затраты на обработку и хранение данных.
У шардинга есть свои недостатки, в числе которых можно выделить уязвимости в системе безопасности сети и сложность осуществления транзакций между шардами.
Введение
Блокчейн способен обеспечить децентрализацию, прозрачность и безопасность. Однако нередко в пространстве блокчейна возникает проблема недостаточной масштабируемости. Масштабируемость — это один из пунктов трилеммы блокчейна, в которую также входят безопасность и децентрализация. Одновременное обеспечение этих трех условий остается актуальной проблемой для сферы блокчейна. С ее решением могут помочь такие методы, как шардинг.
Что такое шардинг
Концепция шардинга была заимствована из традиционного управления базами данных. Она представляет собой разделение большой базы данных на более мелкие, управляемые части под названием шарды. Применение шардинга в блокчейне призвано повысить масштабируемость, при этом сохранив необходимый уровень децентрализации. Шардинг — это разделение блокчейн-сети на более мелкие части (шарды), каждая из которых способна параллельно обрабатывать транзакции и смарт-контракты.
Как работает шардинг
Для лучшего понимания шардинга в блокчейн-сетях необходимо разобраться в том, как хранятся и обрабатываются данные на блокчейне. Существует несколько способов обработки данных. Далее мы рассмотрим последовательную и параллельную обработку.
Способ, при котором каждая нода блокчейна отвечает за обработку всего объема транзакций в сети, называется последовательной обработкой данных. Каждая нода должна хранить всю информацию, включая балансы на аккаунтах и историю транзакций, а также обрабатывать все операции, данные и транзакции в сети.
Хотя такая модель повышает безопасность блокчейна за счет регистрации каждой транзакции всеми нодами, она значительно замедляет обработку данных. В качестве альтернативы выступает параллельная обработка данных, позволяющая одновременно выполнять несколько операций.
Шардинг решает эту проблему, разделяя и распределяя нагрузку по обработке транзакций по всей блокчейн-сети. В результате нодам не приходится обрабатывать абсолютно все операции на блокчейне или управлять ими.
Вместо этого шардинг распределяет нагрузку посредством горизонтального разделения. Данные разделяются на горизонтальные поднаборы, а каждый шард выступает как независимая база данных, способная обрабатывать транзакции отдельно от других.
Горизонтальное и вертикальное разделение
Горизонтальное и вертикальное разделение — это два основных подхода к масштабированию баз данных. Хотя они оба предназначены для эффективного управления большими наборами данных, их принцип работы отличается. Шардинг — это один из методов реализации горизонтального разделения.
При горизонтальном разделении данные делятся на строки и распределяются по разным нодам (или базам данных), каждая из которых содержит поднабор данных. Каждая строка в таблице уникальна, а потому их разделение не наносит ущерб целостности данных. В качестве яркого примера горизонтального разделения можно привести распределение в блокчейн-сетях, таких как Ethereum и Биткоин.
При вертикальном разделении данные делятся на столбцы, а не на строки. Каждый раздел содержит подмножество данных для каждой стороны или весь набор данных, но только для определенного атрибута. Например, у нас есть таблица с клиентами, где указаны их имена, статусы, описания и фото. При вертикальном разделении имя и статус могут быть указаны в одной таблице, а описание и фото — в другой.
Преимущества горизонтального разделения
Горизонтальное разделение более предпочтительно в блокчейн-сетях по трем причинам: масштабируемость, децентрализация и безопасность.
Масштабируемость. Шардинг разделяет данные на мелкие шарды, которыми легче управлять. Шарды могут работать независимо друг от друга, что позволяет одновременно обрабатывать больше транзакций, тем самым повышая эффективность и скорость работы сети. При вертикальном разделении распределение столбцов по разным базам данных будет более сложным, так как этот процесс требует получения полной информации о транзакциях или блоках, что ограничивает масштабируемость.
Децентрализация. В соответствии с концепцией блокчейна, горизонтальное разделение поддерживает децентрализацию. Когда нодам приходится обрабатывать лишь часть от всех данных (один шард), снижаются объемы необходимых вычислений и хранения данных, благодаря чему в сети могут работать больше нод. Вертикальное разделение лишено этого преимущества, поскольку каждой ноде требуется доступ ко всем разделам (столбцам данных) для анализа и проверки всех данных блока.
Безопасность и целостность данных. Горизонтальное разделение обеспечивает целостность данных, поскольку каждый шард содержит полные данные о транзакциях и предоставляет ноде полную и точную копию своей части блокчейна. При вертикальном разделении данные блока распределяются между разными нодами, что затрудняет выполнение фундаментально важного аспекта блокчейн-сетей — поддержание целостности и безопасности данных.
Преимущества шардинга
Рассмотрим потенциальные преимущества шардинга в пространстве блокчейна.
Повышенная скорость транзакций. Шардинг упрощает параллельную обработку транзакций. Вместо последовательной обработки транзакций шардинг позволяет обрабатывать их одновременно, но в разных шардах. Каждый шард работает независимо, что значительно увеличивает скорость транзакций, а также позволяет всей сети обслуживать больше пользователей, способствуя массовому внедрению.
В качестве примера блокчейн-сети, использующей шарды для решения проблемы масштабируемости, можно привести Ziliqa. Механизм шардинга позволяет Ziliqa обрабатывать тысячи транзакций в секунду.
Минимальные затраты на обработку и хранение данных. Традиционная архитектура блокчейна обязывает каждую ноду хранить все транзакции. В результате с ростом блокчейна повышаются и требования к оборудованию. Однако при шардинге каждая нода отвечает за обработку и хранение лишь части данных, что сокращает ресурсы, необходимые для работы ноды в сети.
Таким образом, больше участников могут участвовать в сети в качестве валидаторов, что повышает децентрализацию без лишних затрат. Этот механизм поддерживает демократизацию, лежащую в основе блокчейн-сетей, и не допускает развития сценария, когда в процессе обработки смогут участвовать только лица или организации с доступом к дорогостоящим вычислительным ресурсам.
Улучшенная производительность сети. Шардинг помогает повысить общую производительность и пропускную способность сети. В традиционных блокчейнах рост числа нод снижает производительность из-за увеличения обмена данными и необходимости синхронизации между ними.
Шардинг решает и эту проблему. Поскольку шарды работают независимо и одновременно, система может обрабатывать больше транзакций и осуществлять больше вычислений. Когда к сети присоединяется новая нода, она может быть добавлена в шард, а не ко всей сети, что повышает способность сети к масштабированию. Повышение эффективности обеспечивает стабильную обработку транзакций и удобство использования.
Развитие технологии шардинга в будущем, вероятно, принесет новые преимущества и поможет усовершенствовать экосистему блокчейна.
Недостатки шардинга
Шардинг предлагает некоторые преимущества, способные повысить эффективность блокчейн-сетей, однако он также не лишен некоторых проблем. Рассмотрим потенциальные уязвимости шардинга.
Атаки с захватом шарда. В системе с шардингом для управления шардом необходимо гораздо меньше вычислительных мощностей, чем для управления всей сетью. Это повышает уязвимость отдельных шардов для так называемых атак одного процента, когда злоумышленник с небольшим количеством ресурсов (относительно всей сети) может захватить шард.
Транзакции между шардами. Осуществление операций между шардами представляет еще одну проблему.Они довольно сложны и при неосторожном управлении могут привести к двойному расходованию. Если один шард неточно отслеживает состояние другого во время транзакции, пользователи могут воспользоваться этим с целью двойного расходования.
Проблемы с доступом к данным. Шардинг упрощает поддержание стабильного состояния сети. Если определенные шарды будут недоступны (ввиду перехода нод в автономный режим), это может привести к проблемам с доступностью данных и нарушить работу всей сети.
Безопасность сети. В системах с шардингом необходим надежный протокол распределения нагрузки между шардами. Его отсутствие может привести к неравномерному распределению данных, дисбалансу ресурсов и нестабильности всей сети.
Синхронизация нод. Синхронизация нод может вызывать задержки в сети из-за обмена и обновления информации между разными нодами. Кроме того, нода с меньшей вычислительной мощностью или плохим сетевым подключением будет замедлять весь процесс синхронизации и снизит общую производительность блокчейн-сети.
Шардинг в Ethereum
Платформа Ethereum планирует внедрить шардинг в рамках обновления Ethereum 2.0. Ethereum 2.0 (также известный как Eth2 или Serenity) — это обновление блокчейна Ethereum, нацеленное на повышение скорости работы, эффективности и масштабируемости сети, что позволит увеличить объемы обрабатываемых транзакций и снизить загруженность сети.
Обновление осуществляется поэтапно, а полная реализация шардинга назначена на финальную фазу (вторую фазу). Разработчики Ethereum надеются, что эти усовершенствования помогут решить текущие проблемы сети, связанные с масштабируемостью и стоимостью транзакций.
Однако стоит отметить, что внедрение шардинга сопряжено с определенными трудностями, такими как обеспечение безопасности и децентрализации сети. Разработчики Ethereum тщательно продумывают и тестируют этот переход, чтобы после полной реализации обновления не возникло никаких проблем.
В заключение
Шардинг — это важный шаг на пути к решению трилеммы блокчейна. Хотя это решение создает новые сложности и имеет определенные недостатки, его потенциал увеличить масштабируемость без ущерба для децентрализации открывает огромные перспективы для будущего развития блокчейн-сетей.
Неудивительно, что разные блокчейны рассматривают шардинг как потенциальное решение. Ethereum планирует внедрить шардинг в рамках обновления Ethereum 2.0 для решения проблемы масштабируемости. Ожидается, что это произойдет в рамках обновления Cancun, которое станет важнейшей частью общего плана по улучшению сети. Однако, как и в случае с любой другой развивающейся технологией, успех будет зависеть от продолжения исследований, разработок и тщательного тестирования шардинга.
Рекомендуемая литература
Отказ от ответственности: следующие материалы предоставляются на условиях «как есть» без каких-либо гарантий исключительно для общих справочных и образовательных целей. Эта информация не должна рассматриваться как финансовая, юридическая консультация или рекомендация по приобретению какого-либо конкретного продукта или услуги. Вам следует самостоятельно обратиться за советом к соответствующим профессиональным консультантам. Поскольку статья написана сторонним автором, обратите внимание, что высказанные мнения принадлежат стороннему автору и необязательно отражают точку зрения Binance Academy. Для получения более подробной информации перейдите по ссылке. Стоимость цифровых активов может быть волатильной. Стоимость инвестированных средств может увеличиваться и уменьшаться. Вы можете не вернуть инвестированные средства. Вы несете полную ответственность за свои инвестиционные решения. Binance Academy не несет ответственность за ваши возможные убытки. Данная информация не является финансовой, юридической или иной профессиональной рекомендацией. Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с нашими Условиями использования и Предупреждением о рисках.