Сети блокчейна сегодня сталкиваются с многочисленными проблемами масштабируемости, особенно из-за появления новых децентрализованных приложений, требующих всё более растущего объёма транзакций.
Именно в этом контексте появились такие решения, как «шардинг», предлагающие альтернативу разгрузке сетей и повышению их эффективности.
Что такое шардинг? Как это работает? Вы узнаете об этом в этой статье.
Что такое шардинг
Шардинг представляет собой средство решения основной проблемы: масштабируемости. Говоря просто, этот метод основан на принципе разделения более крупной базы данных, такой как блокчейн, на более мелкие управляемые фрагменты, называемые « осколками».
В криптографии этот подход направлен на распределение рабочей нагрузки так, чтобы каждый сегмент сети мог обрабатывать транзакции и смарт-контракты независимо и параллельно с основным блокчейном.
Таким образом, одним из основных преимуществ шардинга является повышение скорости транзакций. Вместо последовательной обработки транзакций шардинг позволяет выполнять параллельную обработку, ускоряя весь процесс.
Снижая нагрузку на каждый сетевой узел, сегментирование также делает участие в сети более доступным, поскольку снижает требования к хранению и обработке.
Почему именно шардинг?
Как вы знаете, большинство уровней 1 сегодня сталкиваются с серьёзной проблемой масштабируемости, то есть их способности быстро и эффективно обрабатывать большое количество транзакций. Действительно, с растущим успехом криптовалют и децентрализованных приложений (dApps), такие сети, как Биткоин и Эфириум, уже давно сталкиваются с перегрузками, что приводит к высоким комиссиям за транзакции и медленному времени обработки.
Вы должны знать, что изначально блокчейны обрабатывают транзакции последовательно. Другими словами: каждый узел в сети отвечает за управление всем объёмом транзакций, а также их информацией (историей баланса, балансом кошелька и т.д.). Эта модель, основанная на принципе децентрализации, гарантирует, что каждый участник будет хранить полную копию всего реестра транзакций.
Однако, этот подход требует значительных затрат с точки зрения масштабируемости. По мере увеличения объёма транзакций увеличивается рабочая нагрузка на каждый узел, что приводит к «узким местам», увеличению времени обработки, а иногда и к высоким комиссиям за транзакции.
Таким образом, шардинг представляет собой решение этой проблемы, разбивая сеть на более мелкие фрагменты или шарды, что позволяет вести параллельную обработку транзакций (подробнее позже).
Как работает шардинг
Как упоминалось выше, шардинг основан на фундаментальной идее: разделении сети блокчейна на более мелкие сегменты, каждый из которых способен автономно обрабатывать транзакции и хранить данные. Другими словами: каждый шард функционирует как независимый мини-блокчейн со своим собственным регистром транзакций и состоянием.
Конкретно, эта независимость позволяет каждому шарду обрабатывать транзакции параллельно с другими, что значительно ускоряет общую обработку транзакций в сети. Однако, все шарды остаются связанными и координируются с помощью основного блокчейна, часто называемого «корневым» или «основной цепочкой», который служит основой системы, записывая конечные состояния различных шардов и облегчая связь между ними.
Этот пример должен помочь вам увидеть ситуацию более четко: представьте себе полностью расширяющийся город, в котором движение становится настолько плотным, что замедляет движение каждого. Шардинг в данном случае будет подобен созданию независимых кварталов в городе, каждый со своими дорогами и службами, что позволит обеспечить более плавное движение без перегрузки всей системы.
В криптографии это означает, что каждый «осколок» может обрабатывать свои транзакции независимо, тем самым увеличивая общую пропускную способность сети без ущерба для её безопасности или первоначальной децентрализации.
Горизонтальное разделение
Шардинг в блокчейне использует, так называемое, горизонтальное сегментирование, при котором данные (в данном случае транзакции и выписки по счетам) делятся на строки, причём каждый сегмент управляет частью или, скорее, «подмножеством» глобальных сетевых данных.
Этот подход отличается от вертикального разделения, при котором данные будут разделены на столбцы (по типам данных), что непрактично для архитектур блокчейнов.
Важнейшим аспектом горизонтального сегментирования является поддержание согласованности данных во всех сегментах. Это означает, что транзакции и изменения состояния должны быть должным образом синхронизированы между сегментами, чтобы поддерживать целостность и актуальность всей сети.
Процесс шардинга
Когда инициируется новая транзакция, она назначается конкретному сегменту на основе определенных критериев, таких как адрес отправителя или получателя.
Такое назначение гарантирует, что все транзакции, включающие определенный набор ключей или адресов, обрабатываются в одном и том же сегменте, что обеспечивает согласованность и упрощает отслеживание выписок по счету.
После назначения транзакции внутри каждого сегмента обрабатываются наряду с другими сегментами. Это означает, что блокчейн может обрабатывать несколько потоков транзакций одновременно, в отличие от традиционных систем, где каждая транзакция должна обрабатываться последовательно.
Транзакции с адресами или активами, распределенными по нескольким сегментам, требуют специальной координации. Эти транзакции требуют связи между сегментами, чтобы гарантировать, что транзакция действительна и что выписки со счетов правильно обновляются на всех затронутых сегментах. Но, к последнему мы вернемся в следующих разделах этой статьи.
Каковы преимущества шардинга
Шардинг, как стратегия разделения сети блокчейна на более мелкие, управляемые сегменты, даёт ряд значительных преимуществ, направленных на решение некоторых из наиболее насущных проблем, с которыми сегодня сталкиваются сети блокчейнов.
Давайте подробнее рассмотрим основные преимущества, которые даёт данная концепция:
- Улучшенная масштабируемость. Разделив сеть на несколько меньших сегментов, каждый сегмент может обрабатывать транзакции независимо. Это позволяет осуществлять параллельную обработку транзакций, значительно увеличивая количество транзакций, которые сеть может обрабатывать одновременно.
- Снижение нагрузки на узлы. Традиционно каждый узел в сети блокчейна должен обрабатывать и проверять все транзакции, а также хранить полную копию цепочки. Однако, при шардинге эта нагрузка значительно снижается, поскольку каждому узлу необходимо обрабатывать только данные, относящиеся к его конкретному шарду.
- Ускорение времени транзакций. Вместо того, чтобы ждать последовательной обработки длинной очереди транзакций, транзакции можно обрабатывать одновременно в разных сегментах.
Основные проблемы, связанные с шардингом в криптовалюте
Во-первых, серьёзную озабоченность вызывает безопасность отдельных шардов. Разделив сеть на несколько более мелких сегментов, каждый сегмент потенциально становится более уязвимым для атак, поскольку вычислительная мощность, необходимая для компрометации одного сегмента, значительно меньше, чем необходимая для атаки на всю сеть. Это может способствовать попыткам манипулирования или злонамеренного контроля со стороны злоумышленников.
Ещё одна серьёзная проблема заключается в управлении транзакциями, охватывающими несколько сегментов, так называемыми межсегментными транзакциями. Проще говоря, эти транзакции могут усложнить синхронизацию данных в сети, увеличивая риск ошибок и потенциальных конфликтов.
Наконец, осколки также могут создавать проблемы с точки зрения доступности данных. Действительно, если сеть разделена на несколько сегментов, может случиться так, что определенная информация не будет сразу доступна всем узлам, когда это необходимо. Фактически, это может затруднить процесс проверки транзакций и выполнение смарт-контрактов, а, следовательно, и работу всей сети.
Что вы должны помнить
В конечном счете, шардинг действительно представляет собой интересное решение проблемы масштабируемости в существующих блокчейнах. Разделяя данные на более мелкие сегменты, этот метод значительно повышает производительность и эффективность транзакций.
Однако, это создаёт новые проблемы, особенно с точки зрения безопасности сегментов и доступности данных. Несмотря на эти препятствия, потенциал шардинга неоспорим: он открывает путь к более широкому внедрению, а также позволяет преодолеть трилемму блокчейна.
