Что такое шардинг?

Шардинг — метод разделения и хранения единого логического набора данных в виде множества баз данных. Другое определение шардинга — горизонтальное разделение данных.

Концепция шардинга применялась в управлении традиционными централизованными базами данных с конца 1990-х годов. Термин «шард» (фрагмент) получил распространение благодаря одной из первых многопользовательских ролевых онлайн-игр, Ultima Online, в которой разработчики распределили игроков по различным серверам (разным «мирам» в игре), чтобы справиться с трафиком.

Популярный сценарий применения шардинга в бизнесе — разделение базы данных пользователей по географическим локациям. Пользователи, относящиеся к одной географической локации, объединяются в одну группу и размещаются на уникальном сервере.

Блокчейн — это база данных с нодами, представляющими индивидуальные серверы. Применительно к блокчейну, шардинг подразумевает разделение сети блокчейна на индивидуальные сегменты (шарды). Каждый шард содержит уникальный набор смарт-контрактов и балансов счетов.

За каждым шардом закрепляется нода, верифицирующая транзакции и операции, в отличие от схемы, в которой каждая нода отвечает за верификацию каждой транзакции во всей сети.

Разделение блокчейна на более управляемые сегменты позволяет увеличить пропускную способность транзакций и тем самым решить проблему масштабируемости, с которой сталкивается большинство современных блокчейнов.

Объяснение на примере Ethereum:

Блокчейн Ethereum состоит из тысяч компьютеров или нод, каждая из которых «одалживает» сети определенный объем хешрейта. Именно этот хешрейт позволяет Ethereum Virtual Machine (EVM) функционировать — выполнять смарт-контракты и управлять децентрализованными приложениями (DApps).

В настоящее время Ethereum работает на основе последовательного выполнения, в котором каждая из нод должна рассчитывать каждую операцию и обрабатывать каждую транзакцию. Поэтому прохождение транзакцией верификационного процесса требует значительного времени: Ethereum осуществляет приблизительно 10 транзакций в секунду, тогда как у Visa, например, этот показатель в районе 24 000.

Добавление к сети компьютеров не обязательно повышает эффективность, поскольку весь реестр хранится на каждом устройстве, и цепь верификации просто становится длиннее.

Идея шардинга состоит в том, чтобы отказаться от модели, в которой каждая нода должна вычислять каждую операцию, в пользу модели параллельного выполнения, в которой ноды обрабатывают только определенные вычисления. Это позволяет параллельно обрабатывать множество транзакций.

Блокчейн разделяется на отдельные шарды (поддомены или сегменты). Ноды управляют только той частью реестра, к которой они прикреплены (выполняют процессы и подтверждают транзакции), а не поддерживают весь реестр.

Шардинг — потенциальное решение проблемы масштабирования.

Чем популярнее становится блокчейн, тем больше пользователей инициируют транзакции, запуск децентрализованных приложений и другие процессы в сети. В результате, скорость транзакций падает, что препятствует расширению блокчейна в долгосрочной перспективе. Рост транзакционной активности требует от нод интенсифицировать процесс верификации транзакций. Существует угроза того, что эти блокчейны могут «закупориться», как это произошло с Ethereum в период бума CryptoKitties, когда на долю игры приходилось 11% транзакций сети.

Если группы нод отвечают за индивидуальные сегменты, то каждой ноде не нужно поддерживать весь реестр для выполнения каждой операции. Поэтому валидация транзакций может осуществляться параллельным, а не линейным образом, что повышает скорость сети. Таким образом решается проблема масштабирования.

Основные проблемы шардинга — коммуникация и безопасность. Если разделить блокчейн на изолированные сегменты, то каждый шард станет отдельной сетью. Пользователи и приложения одного поддомена не смогут коммуницировать с пользователями и приложениями другого поддомена, не применяя особый механизм коммуникации.

В сегментированном блокчейне также возникает проблема безопасности, поскольку хакерам легче захватить один шард — по причине меньшего хешрейта, требуемого для контроля индивидуальных сегментов (так называемая атака 1%).

После захвата сегмента атакующие могут направить недействительные транзакции в основную сеть. Также данные в этом конкретном сегменте могут стать недействительными и оказаться безвозвратно утрачены. Ethereum предлагает решение в виде рандомизированной выборки — протоколы шарда случайным образом назначаются в различные секции для подтверждения аутентификации блоков.

Разработчики предложили два решения, позволяющих повысить производительность и скорость транзакций в блокчейнах.

Первое решение — увеличение размера блока. Ключевая идея — чем больше размер блока, тем больше транзакций можно поместить в него и, следовательно, тем больше число транзакций в секунду.

Однако чем больше блок, тем больше вычислительной мощности необходимо для его верификации. Если размер блока увеличить значительно, то лишь наиболее мощные компьютеры смогут управлять вычислительной мощностью, необходимой для деятельности в качестве нод.

Высокая стоимость такого компьютерного оборудования означает, что пулы нод неизбежно станут меньшего размера и более централизованными, что повышает риск атаки 51%. Увеличение размера блока также требует хардфорка, который грозит расколом сообщества: если не все пользователи примут обновление, то возникнут две разные цепи, использующие разные монеты. Увеличение размера блока не может быть долгосрочным решением.

Второе предложение — использовать альткоины с тем, чтобы различные функции и приложения были реализованы на собственных сетях с собственными монетами.

Такая модель повысит производительность, поскольку единый блокчейн не будет перегружен, но также увеличит риски безопасности, поскольку вычислительная мощность будет распределена по нескольким блокчейнам. Опять же, риск взлома сети возрастет и потому, что вычислительная мощность, необходимая для осуществления атаки 51%, будет гораздо меньше.

Zilliqa — первая платформа, внедрившая шардинг. На стадии тестнета она сумела достичь показателя в 2828 транзакций в секунду.

Экосистема блокчейна Near позволяет разработчикам создавать и применять децентрализованные приложения. Near называет себя «шардированным блокчейном на PoS» и утверждает, что его технология шардинга позволяет нодам оставаться достаточно небольшими для того, чтобы функционировать на устройствах невысокой производительности — потенциально даже на мобильных телефонах.

Ethereum предлагает экосистему блокчейна для внедрения DApps на основе смарт-контрактов. Ethereum Foundation планирует включить шардинг в обновленную версию протокола Ethereum 2.0.

Среди прочих работающих с шардингом проектов: Cardano, QuarkChain и PChain.

Технология шардинга фигурирует в white paper цифровой валюты Libra. В преддверии запуска компания Facebook приобрела компанию Chainspace, чья команда разработчиков специализируется на шардинге. Конкретные детали пока неизвестны, но можно предположить, что в блокчейн Libra внедрят разновидность шардинга.

Шардинг теоретически может стать решением так называемой трилеммы блокчейна.

Трилемма блокчейна, как пояснил Виталик Бутерин, состоит в том, что одновременно можно сохранять только две из трех ключевых особенностей блокчейна — безопасности, децентрализации и масштабируемости. Если преодолеть сложности, с которыми сталкивается шардинг, то можно будет масштабировать распределенные сети, не жертвуя децентрализацией или безопасностью.

Подписывайтесь на новости Forklog в Facebook!