Як подолати проблеми продуктивності Блокчейн за допомогою механізму Шардинг

Огляд основних ідей

• Шардинг розділяє блокчейн-мережу на кілька незалежних одиниць, що в основному полегшує проблему заторів у мережі.
• Завдяки механізму паралельної обробки, шардінг може суттєво підвищити швидкість підтвердження транзакцій та пропускну спроможність системи.
• Проблеми безпеки та узгодженості даних при міжсегментних транзакціях залишаються складними для галузі.

Трикутник проблем, з якими стикається блокчейн, та напрямки їх подолання

Сьогодні технологія блокчейн опинилася в незручній ситуації: або високий рівень децентралізації, але повільна швидкість, або швидка швидкість, але за рахунок безпеки. Це те, що в індустрії часто називають “трикутником дилеми” — важко одночасно задовольнити всі вимоги між децентралізацією, безпекою та масштабованістю.

Більшість перших шарових блокчейнів вже зазнали втрат через цю проблему. Кожен верифікаційний вузол повинен записувати та обробляти всі транзакції; така модель “повної синхронізації” призводить до того, що продуктивність мережі стає вузьким місцем. Поява технології шардінгу надала практичне рішення для подолання цієї проблеми.

Технічна сутність шардінгу: використання ідеї розподілу бази даних у блокчейні

Концепція шардінгу не виникла з нічого, а походить з технології шардінгу в традиційних системах управління базами даних. У сфері баз даних шардінг означає розподіл великого набору даних на кілька менших, керованих підмножин.

Впроваджуючи цю ідею в блокчейн, шардінг перетворюється на архітектурну інновацію: вся блокчейн-мережа ділиться на кілька відносно незалежних підланок (шардів), кожен з яких може незалежно перевіряти та обробляти транзакції та смарт-контракти в межах свого діапазону. Такий дизайн суттєво підвищує обробну здатність транзакцій, зберігаючи при цьому децентралізовані характеристики мережі.

Як шардінг змінює логіку обробки даних

Щоб зрозуміти механізм роботи шардінгу, спочатку потрібно чітко визначити суттєві відмінності між традиційними блокчейнами та шардінговими блокчейнами в обробці даних.

Послідовна обробка vs Паралельна обробка

У традиційній архітектурі кожен підтверджуючий вузол повинен послідовно обробляти кожну транзакцію в мережі. Уявіть собі автостраду з однією смугою: навіть якщо автомобілів багато, вони повинні стояти в черзі. Цей “лінійний процес” хоч і є безпечним і надійним, але обмежує пропускну здатність.

Технологія шардінгу порушила це обмеження. Вона дозволяє кільком шардом одночасно незалежно обробляти свої набори транзакцій, як якщо б на швидкісній трасі додали кілька паралельних смуг. Ця можливість паралельної обробки є основною цінністю технології шардінгу.

Від “всіх збережень” до “збережень за запитом”

Початковий дизайн вимагав, щоб кожен вузол зберігав повну копію блокчейну. Обсяг даних постійно зростає, вимоги до апаратного забезпечення учасників вузлів також зростають, що в кінцевому підсумку призводить до посилення централізації мережі — тільки фінансово забезпечені організації можуть нести витрати.

Шардінг змінив цю картину. Кожен вузол повинен підтримувати лише дані свого шардінгу, а не зберігати всю повну історію мережі. Це означає, що звичайні користувачі на звичайному обладнанні можуть стати валідаторами, що забезпечує справжню децентралізацію.

Два основні шляхи реалізації шардінгу

При розширенні бази даних у галузі зазвичай використовують два способи розподілу — горизонтальний та вертикальний.

Горизонтальний розподіл: розділити дані за рядками

Горизонтальне розділення означає розподіл за рядками даних, кожен шматок містить послідовний підмножина даних. У блокчейн-додатках це еквівалентно групуванню транзакцій за адресою облікового запису або іншими ідентифікаторами, при цьому різні шматки окремо керують своїми наборами транзакцій.

Оскільки кожен рядок даних є незалежним, цей спосіб розділення не порушує цілісності даних. На прикладі мережі Zilliqa, саме через горизонтальне розділення досягається здатність обробляти тисячі транзакцій на секунду.

Вертикальне розділення: розподіл даних за стовпцями

Вертикальне розділення здійснюється за різними атрибутами (стовпцями) даних. Наприклад, таблиця облікового запису містить кілька полів, таких як ім'я, баланс, історія транзакцій тощо, вертикальне розділення розподілить ці поля по різних одиницях зберігання.

У середовищі блокчейну вертикальне розділення застосувань є досить обмеженим, оскільки для підтвердження транзакції зазвичай потрібно отримати всю інформацію, що з нею пов'язана, а вертикальне розділення, навпаки, збільшує складність отримання даних.

Чому блокчейн більше схильний до горизонтального поділу

Порівняно з вертикальним розділенням, горизонтальне розділення в блокчейні має переваги в трьох аспектах:

1. Переваги масштабованості

Горизонтальне розділення дозволяє кожному фрагменту незалежно працювати та розширюватися. Нові транзакції просто потрібно призначити відповідному фрагменту, без необхідності залучати всю мережу. У цій моделі ємність системи теоретично може зростати лінійно.

2. Підтримка децентралізації

Горизонтальне розділення значно знижує обчислювальні та зберігаючі вимоги для окремого вузла. Звичайний комп'ютер достатній для запуску фрагментованого вузла, що дозволяє кожному брати участь у мережі, справді реалізуючи демократизацію. Вертикальне розділення, навпаки, вимагає, щоб кожен вузол знав всі виміри даних, що підвищує поріг участі.

3. Гарантія цілісності даних

У горизонтальному розподілі кожен фрагмент зберігає повний запис транзакцій у своєму діапазоні, вузли можуть незалежно перевіряти дійсність даних. Вертикальний розподіл з децентралізованим способом зберігання, навпаки, може призвести до фрагментації даних, ускладнюючи підтримку їхньої узгодженості.

Три основні переваги шардінгу

Якісний стрибок швидкості торгівлі

У фрагментованій мережі тисячі транзакцій можуть виконуватися одночасно в різних фрагментах. Проекти фрагментації, такі як Zilliqa, вже продемонстрували цей потенціал — ця мережа може підтверджувати тисячі транзакцій за секунди. У порівнянні з цим, швидкість традиційних мереж з одною ниткою обробки відрізняється на порядок.

Значне зниження експлуатаційних витрат

Традиційна модель вимагає, щоб кожен вузол зберігав повні дані та виконував всі обчислення. Зі зростанням історії блокчейна це означає, що інвестиції в апаратне забезпечення постійно зростають. Шардинг змінює цю рівняння: вузли обробляють лише дані своїх фрагментів, що значно знижує вимоги до процесорів, пам'яті та зберігання. В результаті більше людей можуть брати участь у підтримці мережі з низькими витратами, що є критично важливим для довгострокового здоров'я блокчейна.

Загальне підвищення мережевої ефективності

У традиційних блокчейнах, чим більше вузлів, тим вищі витрати на синхронізацію мережі. Шардинг розриває це прокляття. Оскільки нові вузли можуть підключатися до будь-якого шардінгу, а не до всієї мережі, пропускна здатність системи не знижуватиметься через розширення, а навпаки, може бути посилена за рахунок залучення більшої кількості валідаторів.

Реальні виклики, з якими стикається технологія шардінгу

Хоча переваги очевидні, але шардінг також вводить нові технологічні труднощі.

Ризики атаки на одиночний фрагмент

Ресурси, необхідні для атаки на один шард, значно менші, ніж для атаки на всю мережу. Зловмисник, який контролює 1% обчислювальної потужності всієї мережі, може мати достатньо можливостей, щоб контролювати певний шард і завдати шкоди в межах цього шард. Така “атака на шард” є загрозою, яку дизайн шардінгу повинен серйозно враховувати.

Складність крос-фрагментних транзакцій

Що відбувається, коли два облікові записи знаходяться в різних фрагментах? Переклади між фрагментами не лише вимагають координації між двома фрагментами, але також можуть викликати ризик “подвійної витрати” — якщо синхронізація стану між фрагментами не відбувається належним чином, то якийсь зловмисник може повторно витратити ті ж кошти. Належне оброблення таких граничних випадків є критично важливим для зрілості фрагментної схеми.

Проблема доступності даних

Припустимо, що певний фрагмент раптово став недоступним через відключення вузла. Це призведе до тимчасової недоступності даних цього фрагмента, що, в свою чергу, вплине на стабільність усієї мережі. У децентралізованій мережі забезпечення доступності даних навіть у випадку збою частини вузлів є великою проблемою системного дизайну.

Складність балансування навантаження

Якщо розподіл даних нерівномірний — наприклад, якщо якийсь популярний смарт-контракт потрапляє в певний шард — цей шард стане вузьким місцем у продуктивності. Підтримка балансування навантаження між шардом вимагає точного алгоритмічного дизайну та постійного моніторингу та коригування.

Затримка синхронізації вузлів

Відмінності в умовах мережі між різними вузлами дуже великі. Вузол з обмеженою пропускною здатністю знижує загальний темп синхронізації фрагмента, що, в свою чергу, знижує продуктивність усієї мережі. Цей “ефект діжки” більш виражений у середовищі фрагментації.

Плани щодо шарду в Ethereum 2.0

Ethereum чітко визначив шардінг як важливу ціль у своєму плані оновлення. Ethereum 2.0 (також відомий як Eth2 або Serenity) є системною архітектурною реконструкцією, що має на меті значно підвищити швидкість обробки транзакцій, енергоефективність та масштабованість мережі.

Офіційна дорожня карта показує, що повна функціональність шардінгу буде впроваджена на фінальному етапі. До цього часу спільнота Ethereum провела велику кількість валідаційних робіт у тестовому середовищі, прагнучи забезпечити безпеку системи та децентралізовані характеристики під час офіційного запуску.

Складність цієї роботи не слід недооцінювати. Команда розробників повинна впроваджувати шардінг, зберігаючи безпеку консенсусу, а також запобігати різним відомим та потенційним вектором атак. Поточний прогрес свідчить про те, що промисловість має значну впевненість у життєздатності цього рішення.

Перспективи на майбутнє

Шардинг є важливим кроком на шляху до зрілості блокчейну. Він пропонує конкурентоспроміжне технологічне рішення для подолання “трикутного парадоксу”, хоча залишаються виклики, які потрібно подолати, але його потенціал величезний.

Все більше проектів та інфраструктур серйозно досліджують шардінг. Офіційне прийняття Ethereum, разом з практичною верифікацією таких піонерів, як Zilliqa, свідчить про те, що шардінг вже перейшов з теоретичних обговорень у практичне застосування.

Наступним ключовим етапом є постійні інвестиції в дослідження, ретельний аудит безпеки та всебічне тестування мережі. З розвитком технологій та накопиченням інженерного досвіду, шардінг має всі шанси стати стандартною характеристикою нових поколінь блокчейн-систем.