Qu'est-ce que le Sharding?

Le sharding est une technique qui divise une blockchain en "shards" plus petits afin de résoudre le problème d'évolutivité associé aux réseaux de la Couche 1. Les principaux avantages du sharding sont l'accélération des transactions, la réduction des coûts de traitement et de stockage et l'amélioration des performances du réseau. Cependant, le sharding présente également quelques inconvénients potentiels, tels que les problèmes de sécurité du réseau et la difficulté d'exécuter des transactions entre les différentes parties de la blockchain.

Les Bases

La technologie blockchain est connue pour sa décentralisation, sa transparence et sa sécurité robuste, mais elle a du mal à évoluer. Ce défi fait partie du "trilemme de la blockchain", qui comprend la difficulté d'équilibrer la sécurité, la décentralisation et l'évolutivité. Le "sharding" est une solution qui gagne du terrain pour résoudre ce problème.

Comprendre le Sharding dans la Blockchain

Le sharding, terme dérivé de la gestion traditionnelle des bases de données, consiste à diviser une grande base de données en segments plus petits et plus faciles à gérer, ou "shards". Dans le contexte de la blockchain, le sharding est utilisé pour améliorer l'évolutivité tout en adhérant aux principes de décentralisation. Essentiellement, un réseau blockchain shardé est divisé en unités plus petites, ce qui leur permet de traiter des transactions et d'exécuter des contrats intelligents simultanément.

Comment Fonctionne le Sharding?

Pour comprendre le sharding dans la blockchain, il est important d'apprendre d'abord les méthodes traditionnelles de traitement des données de la blockchain. En général, les données peuvent être traitées de manière séquentielle ou en parallèle.

Dans une configuration typique de la blockchain, chaque nœud gère l'ensemble du volume de transactions pour le réseau, ce que l'on appelle le traitement séquentiel. Cette approche exige que chaque nœud stocke et traite toutes les informations critiques, y compris les soldes des comptes et l'historique des transactions, et qu'il exécute toutes les opérations et transactions du réseau.

Si cette méthode renforce la sécurité de la blockchain en garantissant que chaque transaction est enregistrée sur tous les nœuds, elle entrave considérablement la vitesse de traitement. C'est là que le traitement parallèle devient crucial, car il permet d'exécuter plusieurs tâches à la fois.

Le sharding résout ce problème en répartissant la charge de transaction sur le réseau. Plutôt que de demander à chaque nœud de traiter toutes les opérations de la blockchain, le sharding utilise le partitionnement horizontal pour diviser la charge de travail. Les données sont divisées en sous-ensembles horizontaux distincts, appelés "shards", chaque shard fonctionnant comme une base de données indépendante capable de traiter ses propres transactions en même temps que les autres shards.

Mise à l'échelle des Databases : Partitionnement Horizontale ou Verticale

Le partitionnement horizontale et le partitionnement verticale représentent deux stratégies distinctes pour la mise à l'échelle des bases de données, chacune ayant une approche unique pour traiter de grands volumes de data. Le sharding est une méthode couramment utilisée pour le partitionnement horizontal.

Le partitionnement horizontale consiste à diviser les données en lignes et à les répartir sur différents nœuds ou bases de données. Chaque partition contient un sous-ensemble de l'ensemble des données. Étant donné que chaque ligne représente une entité distincte, cette approche préserve l'intégrité des données tout en permettant l'évolutivité. Les réseaux de blockchain comme Ethereum et Bitcoin illustrent l'application du partitionnement horizontal.

En revanche, le partitionnement verticale divise les données en colonnes. Chaque partition dans cette méthode contient soit un sous-ensemble d'attributs, soit l'ensemble des données avec un ensemble limité d'attributs. Par exemple, une table de clients comportant des colonnes pour le nom, le statut, la description et la photo pourrait être partitionnée de telle sorte que le "nom" et le "statut" se trouvent dans une partition, tandis que la "description" et la "photo" sont stockées dans une autre.

Raisons de Préférer le Partitionnement Horizontale dans la Blockchain

Dans les systèmes de Blockchain, le partitionnement horizontale est souvent préféré au partitionnement vertical pour plusieurs raisons importantes: l'évolutivité, la décentralisation et la sécurité.

• L'évolutivité: Le sharding, une forme de partitionnement horizontale, améliore l'évolutivité en divisant les données en "morceaux" plus petits et fonctionnant de manière indépendante. Cela permet un traitement simultané des transactions, ce qui accélère le réseau. Le partitionnement vertical, qui divise les données en colonnes dans différentes bases de données, peut compliquer la récupération des données et ne pas prendre en charge le traitement parallèle de manière aussi efficace.
• La Décentralisation: La partitionnement horizontale s'aligne sur la philosophie décentralisée de la blockchain. En réduisant la charge de traitement et de stockage de chaque nœud grâce au partage, davantage de nœuds peuvent rejoindre le réseau, ce qui accroît la décentralisation. En revanche, le partitionnement vertical exige que les nœuds accèdent à toutes les colonnes pour valider des blocs complets, ce qui risque de réduire le nombre de nœuds participants.
• La Sécurité et l'intégrité des Données: Le partitionnement horizontal permet de conserver les données de transaction intactes au sein de chaque bloc, ce qui garantit l'intégrité et la sécurité des données. Étant donné que chaque bloc contient un ensemble complet d'informations sur les transactions, les nœuds disposent d'une représentation précise de leur partie de la blockchain. Le partitionnement vertical, où les données sont divisées en colonnes, pourrait présenter des risques pour la sécurité en obligeant les nœuds à rassembler des informations provenant de différentes sources pour vérifier les données du bloc. Cette fragmentation pourrait entraîner des problèmes d'intégrité des données.

Les Avantages du Sharding dans la Blockchain

Examinons les principaux avantages que le sharding offre à la technologie blockchain:

La Vitesse de Transaction Améliorée

Le sharding permet un traitement parallèle, ce qui permet aux transactions d'être traitées simultanément dans différents shards plutôt que dans un ordre séquentiel. Cette opération simultanée augmente considérablement la vitesse des transactions. En outre, l'augmentation de la vitesse et de la capacité de traitement parallèle favorise une adoption plus large, car le réseau peut accueillir un plus grand nombre d'utilisateurs. Ziliqa est un exemple frappant de blockchain basée sur le sharding, qui réalise des milliers de transactions par seconde grâce à son mécanisme de sharding.

La Réduction des Exigences en Matière de Traitement et d'Entreposage

Les structures traditionnelles de la blockchain exigent que chaque nœud stocke l'historique complet des transactions, ce qui entraîne une augmentation des besoins en matériel au fur et à mesure de la croissance de la blockchain. Le sharding allège ce fardeau en assignant à chaque nœud une partie seulement des données à stocker et à traiter. Cette réduction des besoins en ressources permet une plus grande participation en tant que nœuds, ce qui favorise un réseau plus décentralisé sans nécessiter de matériel haut de gamme. Elle résout le problème de l'engagement des seules personnes disposant de ressources informatiques importantes, ce qui contribue à maintenir la démocratisation inhérente à la technologie de la blockchain.

L'amélioration des Performances et de l'Évolutivité du Réseau

Le sharding peut améliorer considérablement les performances et l'évolutivité du réseau. Dans les blockchains traditionnelles, lorsque de nouveaux nœuds rejoignent le réseau, les performances peuvent en pâtir en raison de l'augmentation des frais généraux de synchronisation et de communication. Le sharding change cette dynamique en isolant les transactions dans des shards séparés, ce qui leur permet de fonctionner simultanément. Cette approche augmente la capacité du système pour les transactions et les calculs. Lorsque de nouveaux nœuds se joignent au réseau, ils peuvent être intégrés dans un groupe spécifique plutôt que d'avoir un impact sur l'ensemble du réseau, ce qui permet une mise à l'échelle plus efficace et une expérience plus fluide pour l'utilisateur.

Les progrès de la technologie du sharding continuent de façonner l'écosystème de la blockchain, et les développements en cours devraient permettre de débloquer encore plus d'avantages et de renforcer les avantages existants.

Les Défis et les Risques du Sharding dans la Blockchain

Si le sharding peut apporter efficacité et évolutivité aux réseaux de blockchain, il introduit également certains défis et risques. Voici quelques-unes des principales limitations :

Les attaques de Prise de Contrôle d'un Seul Serveur (Single Shard)

Le sharding réduit la puissance de calcul nécessaire pour contrôler une partie de la blockchain, ce qui rend les shards individuels plus sensibles aux attaques. Une "prise de contrôle" ou une "attaque à un pour cent" peut se produire lorsqu'un attaquant disposant d'une petite fraction des ressources globales du réseau cible et compromet un seul bloc, ce qui présente un risque pour la sécurité.

Les Transactions Trans-Shard

Les transactions impliquant plusieurs entités peuvent entraîner des complications, telles que le risque de double dépense. Ce risque peut survenir si la communication entre les différents niveaux n'est pas gérée correctement, ce qui entraîne une incohérence dans l'état des différents niveaux. Des mécanismes de synchronisation et de validation appropriés sont essentiels pour prévenir de telles vulnérabilités.

La Disponibilité des Données

Le sharding introduit un niveau de complexité dans le maintien de la disponibilité des données sur le réseau. Si les nœuds d'un shard sont hors ligne ou indisponibles, cela peut perturber le fonctionnement du réseau et entraîner une perte potentielle de données. Cette dépendance à l'égard de la stabilité de chaque bloc peut affecter la fiabilité de l'ensemble de la blockchain.

La Sécurité des Réseaux

Il est essentiel d'assurer une répartition homogène des ressources et de la charge entre les différents groupes. Si le protocole de répartition n'équilibre pas correctement la charge de travail, l'allocation des ressources peut être inégale, ce qui entraîne une instabilité du réseau et expose le système à des vulnérabilités potentielles.

La Synchronisation des Nœuds

La synchronisation des nœuds peut s'avérer difficile dans un environnement en grappes. Des retards dans la synchronisation des nœuds peuvent survenir en raison de capacités de traitement plus lentes ou d'un décalage du réseau. Ces retards peuvent affecter les performances et la fiabilité globales du réseau, ce qui a un impact sur l'efficacité de la blockchain.

Chacun de ces défis souligne la nécessité d'une conception minutieuse et de mesures de sécurité robustes lors de la mise en œuvre du sharding dans les réseaux de blockchain. Il est essentiel de tenir compte de ces limites pour maintenir l'intégrité et la stabilité des blockchains partagées.

La Conclusion

Le sharding représente une étape importante dans la résolution du trilemme de la blockchain, car il permet d'accroître l'évolutivité tout en maintenant la décentralisation. Bien que cette technique introduise des complexités supplémentaires et des risques potentiels, sa promesse de permettre des réseaux de blockchain plus évolutifs est convaincante.