Популярность блокчейн-технологий и цифровых активов значительно увеличивает активность сообщества. Однако, по мере роста использования блокчейна, акцент на конфиденциальность и децентрализацию снижает гибкость и замедляет скорость работы системы.
Разберемся, каким образом эту проблему решает шардинг. Расскажем о классификации, технологии, преимуществах и недостатках подхода.
Что такое шардинг в блокчейне?
Шардинг в блокчейне – это эффективное решение для борьбы с перегруженностью экосистемы. Технология способствует снижению комиссии за транзакции, а также повышает скорость проведения операций в блокчейне.
Шардинг выполняет следующие задачи:
- увеличивает производительность экосистемы, позволяет хранить данные более выгодно;
- создает отдельные ячейки экосистемы (шарды), которые принято использовать в сетях первого уровня;
Применение шардинга позволяет сохранить привычную модель децентрализации. При этом каждая из частей экосистемы начинает одновременно обрабатывать транзакции.
Виды шардинга
Шардинг баз данных можно классифицировать различными способами. Наиболее распространённые технологии — это горизонтальное и вертикальное разделение. Оба метода эффективно решают задачу масштабирования, позволяя улучшить производительность системы. В таблице рассмотрим особенности каждого из способов шардинга.
| Способ | Особенности |
| Горизонтальный шардинг | Горизонтальное распределение делит данные на строки, которые хранят информацию; каждый блок с данными уникален и не влияет на общую целостность экосистемы. |
| Вертикальный шардинг | Вертикально разделяет данные на столбцы, поддерживается более детальное разделение, когда каждый из столбцов хранит фиксированные строки с данными. |
Горизонтальный шардинг блокчейна остается более предпочтительным, поскольку предлагает улучшенные характеристики безопасности, гибкости. Далее расскажем, какие возможности предлагает этот подвид шардинга.
Децентрализация.Горизонтальный шардинг предлагает эффективные технологии децентрализации. Экосистема с использованием этого вида распределения использует в работе только одну часть блокчейна. Таким образом снижается нагрузка на систему, повышается пропускная способность. Напротив, вертикальный шардинг по-прежнему проверяет каждый столбец данных.
Масштабирование. Позволяет разделить экосистему на отдельные части, в связи с чем управление информацией становится проще. Шарды работают без привязки друг к другу, когда каждый из элементов выполняет свою часть “работы”.
Целостность информации. Каждый шард в экосистеме хранит свою копию данных блокчейна. Достоверность и конфиденциальность транзакций гарантируется.
Как работает шардинг?
Блокчейн-экосистема использует разные подходы к обработке данных, включая как последовательную, так и параллельную обработку. Первый вариант обработки информации предполагает следующее: каждая нода обеспечивает работоспособность всей сети. Ячейка хранит данные о балансе аккаунтов, а также историю всех транзакций в системе.
Такой подход к работе блокчейна увеличивает уровень защищенности, в ущерб скорости проведения транзакций. Поэтому в игру вступает параллельная обработка информации.
Итак, технология шардинга использует группы валидаторов. Каждый из валидаторов работает с фиксированной частью блокчейна. Например, хранит данные о транзакциях в выделенной части экосистемы. При сравнении с Ethereum, шардинг хранит часть базы данных, что создает преимущества перед традиционными видами блокчейна.
Последовательность действий в цифровой экосистеме (при разделении) — следующая:
- пользователь проводит транзакцию в блокчейне с поддержкой шардинга;
- ордер направляется группе вспомогательных валидаторов;
- при необходимости транзакции обрабатываются параллельно, а не последовательно;
- блок подтверждается валидаторами, а информация поступает на уровень взаимодействия между шардами;
- проверяется достоверность информации, а затем соответствующая запись появляется в реестре.
Шардинг характеризуется определенными особенностями, точнее, алгоритмами, о которых поговорим далее.
Разделение транзакций. Реестр данных и всех ордеров хранится на каждом из узлов. Впрочем, транзакции присуждаются определенным шардам с использованием критериев. Применение алгоритма повышает скорость проведения ордеров, поскольку система не задействована глобально, а только в пределах одного шарда.
Сетевое разделение. Каждый шард сохраняет связь с другими, поддерживая своеобразную синхронизацию, выполняя действия одновременно. Адаптивный шардинг. Автоматическое регулирование количества и объема слотов. Например, при увеличении количества данных слоты расширяются. Это исключает вероятность снижения пропускной способности сети.
Статический шардинг. Цифровая цепочка блоков получает предварительное фиксированное количество шардов. Этот подход ограничивает показатель эффективности сети, а также фактически исключает возможность проводить масштабирование.
Динамическая фрагментация. Узлы в экосистеме имеют определенную выборку адресов. Напротив, статистическая фрагментация не создает такие возможности.
Относительно технологии шардинга рассмотрим несколько проектов, которые используют потенциал технологии.
Проекты
Некоторые блокчейны поддерживают технологию распределения, а отдельные компании только начинают внедрять шардинг.
Итак:
- Ethereum 2.0. В рамках обновления реализована технология шардинга. Это обеспечивает повышение скорости работы и масштабируемость. Интеграция технологии проводилась последовательно, чтобы избежать проблем с безопасностью и защищенностью информации. Но сейчас, судя по заявления основателя сети Виталика Бутерина, достигнуты все желаемые результаты.
- NEAR Protocol. Целью проекта является создание оптимальных условий для проведения параллельных транзакций с сохранением работоспособности блокчейна. Инициатива NEAR направлена на снижение требований к устройству, поэтому узлом сети может быть любой пользователь.
- Zilliqa. Проект уже применяет динамическое распределение для решения задач масштабирования. В экосистеме Zilliqa все транзакции разделены на вспомогательные блоки, которые обрабатываются соответствующими валидаторами.
- Проект MultiversX использует технологию адаптивного распределения. Блокчейн-проект может предложить доступ к высокоскоростным транзакциям с сохранением параметров безопасности, конфиденциальности. Текущая версия проекта в рамках параллельного исполнения поддерживает тысячи сделок в секунду.
Преимущества и недостатки шардинга
В вопросе, как работает шардинг, необходимо отметить не только принцип технологии, но и преимущества и недостатки подхода. Далее расскажем об актуальных достоинствах и отрицательных сторонах распределения.
Стоимость транзакций
Классическая модель блокчейна предполагает, следующее: каждая нода хранит полную копию всех транзакций в сети. Таким образом, с увеличением объема экосистемы изменяются и требования к производительности оборудования.
В этом случае и проявляется положительная характеристика шардинга – одновременная обработка транзакций, сокращение требований к ресурсам.
Это преимущество позволяет расширить количество участников цифровой экосистемы. Как результат — увеличение общей децентрализации обходится дешевле. Снижение стоимости транзакций фактически исключает вероятность, при которой в качестве валидаторов выступают только устройства с высоким потенциалом вычислительной мощности.
Скорость проведения сделок
В экосистеме каждый вспомогательный узел, или шард, работает независимо. Такой принцип приводит к значительному повышению скорости транзакций. В основу заложена технология параллельной обработки, о которой мы упоминали неоднократно.
Результатом использования такой технологии является достижение показателя в несколько тысяч транзакций ежесекундно.
Баланс производительности
Применение шардинга улучшает стабильность и производительность блокчейна, увеличивая пропускную способность сети. Распределение данных помогает избежать снижения производительности экосистемы, когда необходима синхронизация между узлами. Таким образом, система проводит больше вычислений.
При добавлении новой ноды в экосистему ей назначается новый узел или шард. Поэтому фактические ограничения относительно масштабирования исключаются. Это влияет и на общее удобство использования цифровой экосистемы. В дальнейшем ожидаем увидеть массовое внедрение шардинга с улучшением скорости работы экосистемы.
Недостатки
Массовое использование шардинга в цифровой экосистеме создает ряд трудностей. Разберем уязвимости технологии, которые связаны с доступностью, безопасностью, синхронизацией
| Минусы | Описание |
| Фрагментация данных | Поскольку данные распределены по различным шардом, доступ к полной информации может потребовать обращения к нескольким узлам, что увеличивает время ожидания. |
| Стороннее вмешательство/атака на узлы | Управление одним компонентом цифровой экосистемы не требует значительных вычислительных мощностей, в то время как традиционный блокчейн создает серьезные требования к устройству. Мошенники могут захватить шард, владея минимальным количеством ресурсов. Кроме того, в работе блокчейна с шардами требуется наличие надежного протокола защиты данных. Если такой протокол не используется, то результатом может стать низкая стабильность работы сети. |
| Сложность разработки | Одним из существенных недостатков является сложность внедрения шардинга. Реализация шардинга требует сложной архитектуры, что увеличивает трудозатраты на разработку и дальнейшую поддержку. |
| Сложности с синхронизацией | Поддержание актуальности данных между шардом и основным блокчейном может привести к задержкам и проблемам с согласованностью. Если в блокчейне работают ноды с минимальной вычислительной мощностью, то процесс синхронизации замедляется, к тому же на скорость работы системы влияет и качество сетевого подключения. |
Концепция шардинга активно развивается и внедряется в цифровую экосистему, что способствует увеличению скорости транзакций и эффективности блокчейна, а также улучшает показатели масштабируемости. Несмотря на существующие недостатки, текущая версия шардинга успешно решает трилемму блокчейна.
Появляются новые решения, которые объединяют подходы шардинга и сайдчейнов или сетей второго уровня. В дальнейшем шардинг станет основой для инициатив в рамках Web3, а его интеграция крупными игроками рынка криптовалют повысит интерес к разработке.
