Как преодолеть瓶г限性能 Блокчейн с помощью механизма Шардинг

Краткий обзор ключевых идей

• Шардинг разделяет блокчейн-сеть на несколько независимых единиц, что в корне решает проблему перегрузки сети.
• С помощью механизма параллельной обработки шардирование может значительно повысить скорость подтверждения транзакций и пропускную способность системы.
• Проблемы безопасности и согласованности данных при межфрагментарных транзакциях остаются сложными задачами для отрасли

Треугольная дилемма и направления прорыва в блокчейне

Текущая блокчейн-технология оказалась в неловком положении: либо высокая степень децентрализации, но медленная скорость, либо быстрая скорость, но в ущерб безопасности. Это то, что в отрасли часто называют “треугольником страданий” — трудно одновременно удовлетворить все требования в области децентрализации, безопасности и масштабируемости.

Большинство первых слоев публичных блокчейнов столкнулись с этой проблемой. Каждый узел-валидатор должен записывать и обрабатывать все транзакции, что приводит к узкому месту в производительности сети из-за модели “полной синхронизации”. Появление технологии шардирования предложило жизнеспособное решение для этой проблемы.

Техническая сущность шардирования: Применение идеи разделения базы данных в блокчейне

Концепция шардирования не возникла на пустом месте, а возникла из технологии шардирования в традиционном управлении базами данных. В области баз данных шардирование означает разделение большого набора данных на несколько маленьких, управляемых подсетов.

Внедрив эту идею в блокчейн, шардирование стало архитектурной инновацией: вся блокчейн-сеть делится на несколько относительно независимых подсетей (шардов), каждая из которых может независимо проверять и обрабатывать транзакции и смарт-контракты в своем диапазоне. Такой дизайн значительно увеличивает способность обработки транзакций, сохраняя при этом децентрализованные характеристики сети.

Как шардирование меняет логику обработки данных

Чтобы понять механизмы работы шarding, необходимо сначала четко определить принципиальные различия в обработке данных между традиционными блокчейнами и блокчейнами с шардированием.

Последовательная обработка vs Параллельная обработка

В традиционной архитектуре каждый узел-валидатор должен последовательно обрабатывать каждую транзакцию в сети. Представьте себе高速公路, у которой только одна полоса, и сколько бы машин ни было, им все равно придется выстраиваться в линию. Эта модель “линейной обработки” безопасна и надежна, но пропускная способность серьезно ограничена.

Технология шардирования преодолевает это ограничение. Она позволяет нескольким шардом одновременно независимо обрабатывать свои наборы транзакций, как если бы на скоростной автомагистрали добавили несколько параллельных полос. Эта возможность параллельной обработки является основной ценностью технологии шардирования.

От “всех хранилищ” до “хранения по запросу”

Исходный дизайн требовал, чтобы каждый узел хранил полную копию блокчейна. Объем данных постоянно увеличивается, и требования к аппаратному обеспечению участвующих узлов также растут, что в конечном итоге приводит к усилению централизации сети — только организации с достаточным капиталом могут нести эти расходы.

Шардинг изменил эту картину. Каждый узел должен поддерживать только данные своего шардирования, а не хранить полную историю всей сети. Это означает, что обычные пользователи с обычным оборудованием могут стать валидаторами, что приводит к настоящей децентрализации.

Два основных пути реализации фрагментации

При расширении базы данных в отрасли обычно используются два типа разделения — горизонтальное и вертикальное.

Горизонтальное деление: разделение данных по строкам

Горизонтальное шarding означает разделение по строкам данных, где каждый фрагмент содержит последовательный подмассив данных. В приложениях блокчейна это эквивалентно группировке транзакций по адресам аккаунтов или другим идентификаторам, при этом разные фрагменты управляют своими собственными наборами транзакций.

Поскольку каждая строка данных является независимой, такой способ разделения не нарушает целостность данных. Например, сеть Zilliqa достигла способности обрабатывать тысячи транзакций в секунду благодаря горизонтальному разделению.

Вертикальное разделение: распределение данных по столбцам

Вертикальное разделение происходит в зависимости от различных атрибутов данных (столбцов). Например, таблица аккаунтов содержит несколько полей, таких как имя, баланс, история транзакций и т.д., вертикальное разделение распределит эти поля по различным единицам хранения.

В условиях блокчейна вертикальная сегментация приложений довольно ограничена, поскольку для проверки транзакции обычно требуется получить полную информацию, связанную с ней, а вертикальная сегментация, наоборот, увеличивает сложность получения данных.

Почему блокчейн склонен к горизонтальному разделению

В отличие от вертикального разделения, горизонтальное разделение в блокчейне имеет преимущества в трех аспектах:

1. Преимущества масштабируемости

Горизонтальное шардирование позволяет каждому шардировать работать и расширяться независимо. Новые транзакции просто распределяются по соответствующим шардом, без необходимости вовлекать всю сеть. В этой модели теоретически емкость системы может расти линейно.

2. Поддержание децентрализации

Горизонтальное разбиение значительно снижает вычислительные и хранительные требования к отдельным узлам. Обычный компьютер вполне способен запустить шард-узел, что позволяет любому участвовать в сети и действительно реализует демократию. Вертикальное разбиение, наоборот, требует, чтобы каждый узел знал все измерения данных, что повышает порог участия.

3. Гарантия целостности данных

В горизонтальном шардировании каждый шард хранит полные записи транзакций в своем диапазоне, и узлы могут независимо проверять подлинность данных. Напротив, вертикальное шардирование с распределенным хранением данных может привести к фрагментации данных, что усложняет поддержание согласованности данных.

Три основных преимущества шардирования

Качественный скачок в скорости交易

В сетях с шардированием тысячи транзакций могут одновременно выполняться в разных шардов. Проект шардирования, такой как Zilliqa, уже продемонстрировал этот потенциал — сеть может подтверждать тысячи транзакций за секунды. В сравнении с этим, скорость традиционных сетей с однофункциональной обработкой отличается на порядки.

Значительное снижение операционных расходов

Традиционная модель требует, чтобы каждый узел хранил полные данные и выполнял все вычисления. С увеличением истории блокчейна это означает, что затраты на оборудование постоянно возрастают. Шардинг изменяет это уравнение: узлы обрабатывают только данные своего шард, что значительно снижает требования к ЦП, памяти и хранилищу. В результате больше людей могут участвовать в поддержании сети с низкими затратами, что имеет решающее значение для долгосрочного здоровья блокчейна.

Общее повышение сетевой эффективности

В традиционных блокчейнах, чем больше узлов, тем выше затраты на синхронизацию сети. Шардинг разрушает это проклятие. Потому что новые узлы могут подключаться к любому шард, а не ко всей сети, пропускная способность системы не будет снижаться из-за расширения, а скорее может увеличиться за счет большего числа валидаторов.

Реальные вызовы, с которыми сталкивается технология шардинга

Несмотря на очевидные преимущества, шардирование также вводит новые технические проблемы.

Риск одиночной атакующей части

Ресурсы, необходимые для атаки на одну шард, значительно меньше, чем для атаки на всю сеть. Злоумышленник, обладающий 1% вычислительной мощности всей сети, может быть достаточно сильным, чтобы контролировать конкретную шард и причинить вред внутри неё. Эта угроза, известная как “атака на шард”, должна быть серьезно учтена в проектировании шард.

Сложность кросс-фрагментационных транзакций

Что происходит, когда два аккаунта находятся в разных шардов? Кросс-шардовые переводы требуют координации между двумя шардов, и могут также вызвать риск “двойного расходования” — если синхронизация состояния между шардов неправильная, злоумышленник может повторно использовать одни и те же средства. Правильная обработка таких пограничных случаев имеет решающее значение для зрелости шардовой схемы.

Проблемы с доступностью данных

Предположим, что какой-то шард внезапно становится недоступным из-за отключения узла. Это приведет к тому, что данные этого шарда временно станут недоступными, что, в свою очередь, повлияет на стабильность всей сети. В децентрализованной сети обеспечение доступа к данным даже в случае сбоя части узлов является важной задачей системного проектирования.

Сложность балансировки нагрузки

Если распределение данных неравномерно — например, если какой-то популярный смарт-контракт оказывается в определенном фрагменте — этот фрагмент может стать узким местом по производительности. Поддержание балансировки нагрузки между фрагментами требует точного проектирования алгоритмов и постоянного мониторинга и корректировки.

Задержка синхронизации узла

Различия в сетевых условиях между узлами очень велики. Узел с ограниченной пропускной способностью замедлит синхронизацию всего шардирования, что снизит производительность всей сети. Этот эффект “бочки” проявляется более явно в среде шардирования.

Планирование шардирования в Ethereum 2.0

Эфириум четко обозначил шардирование как важную цель в своем плане обновления. Ethereum 2.0 (также известный как Eth2 или Serenity) представляет собой системную архитектурную реконструкцию, направленную на значительное улучшение скорости обработки транзакций, энергоэффективности и масштабируемости сети.

Официальная дорожная карта показывает, что полная функция шардирования будет запущена на финальной стадии. До этого времени сообщество Ethereum провело大量验证工作 в тестовой среде, стремясь обеспечить безопасность системы и децентрализованные характеристики при официальном запуске.

Сложность этой задачи нельзя недооценивать. Команда разработчиков должна внедрить шардирование, обеспечивая при этом безопасность консенсуса, а также предотвратить различные известные и потенциальные векторы атак. Текущий прогресс показывает, что отрасль имеет довольно высокую уверенность в жизнеспособности этого решения по шардированию.

Взгляд в будущее

Шардинг является важным шагом к зрелости блокчейна. Он предоставляет конкурентоспособное технологическое решение для преодоления “треугольного парадокса”, хотя все еще существуют вызовы, которые необходимо преодолеть, но его потенциал огромен.

Все больше проектов и инфраструктур серьезно изучают шардирование. Официальное принятие Ethereum, а также практическая проверка таких пионеров, как Zilliqa, свидетельствуют о том, что шардирование уже перешло от теоретических обсуждений к практическому применению.

Ключевым следующим шагом является постоянное вложение в исследования, строгий аудит безопасности и всестороннее тестирование сети. С развитием технологий и накоплением инженерного опыта, шардирование имеет все шансы стать стандартной характеристикой нового поколения блокчейн-систем.