Что такое шардинг?

Шардинг — это метод, который делит блокчейн на более мелкие «шарды», чтобы решить проблему масштабируемости, характерную для сетей уровня 1. Основные преимущества шардинга включают более высокую скорость транзакций, снижение затрат на обработку и хранение данных, а также улучшение производительности сети. Однако шардинг также несёт потенциальные недостатки, такие как вопросы безопасности сети и сложность выполнения межшардовых транзакций.

Основы

Технология блокчейн известна своей децентрализацией, прозрачностью и высокой степенью защиты, но сталкивается с проблемой масштабируемости. Эта задача часть «тринитета блокчейна», которая предполагает трудности в балансировке безопасности, децентрализации и масштабируемости. Одним из набирающих популярность решений для этой проблемы является шардинг.

Понимание шардинга в блокчейне

Шардинг, термин, заимствованный из традиционного управления базами данных, предполагает разделение большой базы данных на более мелкие, более управляемые сегменты, или «шарды». В контексте блокчейна шардинг применяется для повышения масштабируемости при сохранении принципов децентрализации. По сути, шардированная сеть разделяется на эти меньшие единицы, позволяя им одновременно обрабатывать транзакции и выполнять смарт-контракты.

Как работает шардинг

Чтобы понять шардинг в блокчейне, важно сначала рассмотреть традиционные методы обработки данных блокчейна. В общем случае данные могут обрабатываться последовательно или параллельно.

В типичной конфигурации блокчейна каждый узел обрабатывает весь объём транзакций сети — это называется последовательной обработкой. Такой подход требует, чтобы каждый узел хранил и обрабатывал всю критически важную информацию, включая балансы аккаунтов и историю транзакций, а также выполнял все операции и транзакции сети.

Хотя этот метод усиливает безопасность блокчейна за счёт того, что каждая транзакция фиксируется на всех узлах, он существенно ограничивает скорость обработки. Здесь становится важна параллельная обработка, позволяющая выполнять множество задач одновременно.

Шардинг решает эту проблему, распределяя нагрузку по транзакциям между узлами сети. Вместо того чтобы требовать от каждого узла обработки всех операций блокчейна, шардинг использует горизонтальное разделение для распределения рабочей нагрузки. Данные делятся на отдельные горизонтальные подмножества, известные как шарды, и каждый шард функционирует как независимая база данных, способная обрабатывать свои транзакции параллельно с другими шардами.

Масштабирование баз данных: горизонтальное vs вертикальное разделение

Горизонтальное и вертикальное разделение представляют собой две разные стратегии масштабирования баз данных, каждая со своим подходом к обработке больших объёмов данных. Шардинг — распространённый метод горизонтального разделения.

Горизонтальное разделение включает разбивку данных по строкам и распределение их по различным узлам или базам данных. Каждая партиция содержит подмножество полного набора данных. Поскольку каждая строка представляет отдельную сущность, такой подход сохраняет целостность данных и обеспечивает масштабируемость. Блокчейн-сети, такие как Ethereum и Bitcoin (в контексте обсуждения масштабирования), демонстрируют применение горизонтального разделения.

В отличие от этого, вертикальное разделение делит данные по столбцам. В каждой партиции при таком методе содержится либо подмножество атрибутов, либо весь набор данных с ограниченным набором атрибутов. Например, таблица клиентов с колонками «Имя», «Статус», «Описание» и «Фото» может быть разделена так, что «Имя» и «Статус» находятся в одной партиции, а «Описание» и «Фото» — в другой.

Причины предпочтения горизонтального разделения в блокчейне

В блокчейн-системах горизонтальное разделение часто выбирают вместо вертикального по ряду важных причин: масштабируемость, децентрализация и безопасность.

• Масштабируемость: Шардинг как форма горизонтального разделения повышает масштабируемость, разбивая данные на меньшие, независимо работающие «шарды». Это позволяет обрабатывать транзакции параллельно и ускоряет работу сети. Вертикальное разделение, которое делит данные по колонкам в разных базах, может усложнить извлечение данных и слабее поддерживает параллельную обработку.
• Децентрализация: Горизонтальное разделение согласуется с философией децентрализации блокчейна. Снижая требования к обработке и хранению для каждого узла через шардинг, в сеть могут войти больший число узлов, что увеличивает уровень децентрализации. В отличие от этого, вертикальное разделение требует от узлов доступа ко всем колонкам для валидации полных блоков, что может сократить число участников.
• Безопасность и целостность данных: Горизонтальное разделение сохраняет данные о транзакциях внутри каждого шарда целостными, обеспечивая целостность и безопасность данных. Поскольку каждый шард содержит полный набор информации о своих транзакциях, узлы имеют точное представление о своей части блокчейна. Вертикальное разделение, при котором данные разделены по колонкам, может нести риски безопасности, так как узлам придётся собирать информацию из различных источников для проверки данных блока, что приведёт к проблемам с целостностью данных.

Преимущества шардинга в блокчейне

Рассмотрим ключевые преимущества, которые шардинг приносит технологии блокчейн:

Увеличенная скорость транзакций

Шардинг обеспечивает параллельную обработку, позволяя транзакциям обрабатываться одновременно в разных шардах, а не последовательно. Такая параллельная работа значительно повышает скорость транзакций. Кроме того, возросшая скорость и возможность параллельной обработки поддерживают потенциал для более широкого внедрения, поскольку сеть может обслуживать большее число пользователей. Яркий пример шардированной блокчейн-сети — Zilliqa, которая благодаря шардированию достигает тысяч транзакций в секунду.

Снижение требований к обработке и хранению

Традиционные структуры блокчейна требуют, чтобы каждый узел хранил полную историю транзакций, что ведёт к росту требований к аппаратному обеспечению по мере увеличения блокчейна. Шардинг снижает эту нагрузку, назначая каждому узлу лишь часть данных для хранения и обработки. Такое уменьшение требований к ресурсам позволяет большему числу участников работать в сети, стимулируя большую децентрализацию без необходимости в мощном оборудовании. Это решает проблему, когда только обладатели значительных вычислительных ресурсов могли участвовать, способствуя демократизации технологии блокчейн.

Улучшенная производительность сети и масштабируемость

Шардинг может значительно повысить производительность сети и её масштабируемость. В традиционных блокчейнах по мере увеличения числа узлов производительность может падать из‑за возросших накладных расходов на синхронизацию и обмен данными. Шардинг меняет эту динамику, изолируя транзакции внутри отдельных шардов и позволяя им работать параллельно. Такой подход увеличивает пропускную способность системы по транзакциям и вычислениям. При подключении новых узлов их можно интегрировать в конкретный шард, а не затрагивать всю сеть, что обеспечивает более эффективное масштабирование и плавный пользовательский опыт.

Развитие технологий шардинга продолжает формировать экосистему блокчейна, и дальнейшие улучшения обещают раскрыть ещё больше преимуществ и усилить существующие.

Проблемы и риски шардинга в блокчейне

Хотя шардинг может принести эффективность и масштабируемость блокчейн-сетям, он также вводит определённые сложности и риски. Ниже перечислены ключевые ограничения:

Атаки на отдельный шард

Шардинг уменьшает объём вычислительной мощности, необходимой для контроля части блокчейна, что делает отдельные шарды более уязвимыми к атакам. «Захват шарда» или «атака одного процента» может произойти, когда злоумышленник с небольшой долей общих ресурсов сети целенаправленно атакует и компрометирует один шард, создавая угрозу безопасности.

Межшардовые транзакции

Транзакции, затрагивающие несколько шардов, могут приводить к осложнениям, таким как риск двойного расходования. Это может случиться при недостаточно надёжной коммуникации между шард-ами, что приведёт к несогласованности состояния в разных шардах. Необходимы корректные механизмы синхронизации и валидации, чтобы предотвратить такие уязвимости.

Доступность данных

Шардинг добавляет уровень сложности в поддержании доступности данных по всей сети. Если узлы шарда отключены или недоступны, это может нарушить работу сети и привести к потенциальной потере данных. Зависимость от устойчивости каждого шарда может повлиять на надёжность всего блокчейна.

Безопасность сети

Критично обеспечить равномерное распределение ресурсов и нагрузки между шард-ами. Если протокол шардинга не балансирует рабочую нагрузку правильно, это может привести к неравномерному распределению ресурсов, вызвать нестабильность сети и сделать систему уязвимой.

Синхронизация узлов

Поддерживать синхронизацию узлов может быть сложнее в шардированной среде. Может возникать задержка синхронизации узлов из‑за более медленной обработки или сетевых задержек. Эти задержки могут повлиять на общую производительность и надёжность сети, снижая эффективность блокчейна.

Каждая из этих проблем подчёркивает необходимость тщательной проработки и надёжных мер безопасности при внедрении шардинга в блокчейн-сети. Решение этих ограничений важно для сохранения целостности и стабильности шардированных блокчейнов.

Заключение

Шардинг представляет собой значимый шаг на пути к разрешению «тринитета блокчейна», предлагая способ повысить масштабируемость при сохранении децентрализации. Хотя этот метод добавляет сложности и потенциальные риски, его перспективы в создании более масштабируемых блокчейн-сетей выглядят многообещающе.