Технология блокчейн претерпела значительные изменения с момента ее создания в 2009 году. Тогда Сатоши Накамото представил биткойн (BTC) как способ обеспечить децентрализованную альтернативу централизованным финансовым системам. Цель состояла в том, чтобы предоставить решение, которое также было бы безопасным и прозрачным.
Биткойн достиг этого с помощью технологии распределенного реестра (DLT) и технологии блокчейна, что позволило сети достичь консенсуса без необходимости в центральном органе. Однако это также означало, что по мере того, как в сеть добавлялось больше пользователей и транзакций, она становилась все медленнее и менее масштабируемой.
Сеть Ethereum решила основную проблему масштабируемости Биткойна, внедрив серию обновлений разработки. Возможно, одним из самых больших обновлений в сети стал переход на механизм консенсуса Proof-of-Stake (PoS) с Proof-of-Work (PoW), аналогичный механизму Биткойн.
Это обновление, получившее название Merge, успешно интегрировало исходный уровень выполнения Ethereum и его новый консенсусный уровень PoS, тем самым перейдя от PoW к PoS. Слияние снизило энергопотребление Ethereum на 99,95%, решив одну из самых давних проблем с системами блокчейна на основе PoW.
Но усилия Эфириума по масштабируемости на этом не заканчиваются. В настоящее время в сети проходят обновления для внедрения сегментации — процесса, который еще больше повысит пропускную способность и масштабируемость транзакций. Но что такое шардинг в контексте технологии блокчейн и Ethereum в частности?
Что такое шардирование базы данных?
Шардинг — это концепция, которая возникла в системах управления базами данных еще в 1980-х годах. На самом деле SHARD раньше был аббревиатурой продукта базы данных 80-х годов, системы для высокодоступных реплицированных данных.
Кстати, осколок также означает «маленькая часть чего-то большего». И это именно то, на что нацелена сегментация в технологии блокчейна — разбить сеть блокчейна на более мелкие, управляемые части, называемые сегментами. Каждый сегмент содержит собственное уникальное подмножество транзакционных данных и одновременно обрабатывает транзакции в сети.
Такое разбиение сети блокчейна на несколько сегментов обеспечивает параллельную обработку транзакций, уменьшает задержку и повышает масштабируемость. Вычислительная нагрузка на сеть снижается, и за определенный период времени можно обрабатывать больше транзакций.
В случае с Ethereum шардинг также поможет решить одну из его самых больших проблем — высокую плату за газ в сети. Газ относится к плате, необходимой для обработки транзакции в сети Ethereum. Разделение приведет к меньшей конкуренции за ресурсы в сети, тем самым снизив общую плату за газ.
В настоящее время Ethereum может обрабатывать около 13 транзакций в секунду (TPS). С шардингом пропускная способность Ethereum может достигать 100 000 TPS. Фактическая цифра может измениться до тех пор, пока шардинг не будет полностью реализован в сети, но это все равно заметное улучшение по сравнению с текущей пропускной способностью.
Как работает шардинг?
Необходимым условием для понимания шардинга является знание того, как узлы работают в сети блокчейн. Узлы относятся к компьютерам в сети блокчейн, которые хранят и распространяют транзакционные данные, по существу поддерживая работу сети.
В текущем механизме консенсуса PoW Ethereum все узлы обрабатывают каждую транзакцию в сети. Это может привести к проблемам с масштабируемостью, поскольку в сеть добавляется все больше и больше транзакций.
При сегментировании узлы в сети делятся на группы, называемые цепочками сегментов. Каждая цепочка сегментов отвечает за обработку подмножества транзакций в сети. Эти цепочки сегментов взаимодействуют друг с другом для достижения консенсуса и проверки блоков транзакционных данных.
Однако в контексте Эфириума технически вместо цепочек сегментов будут «кляксы» из-за использования danksharding, более нового подхода к сегментированию. Сегментированная система Ethereum будет состоять из 64 связанных баз данных, и транзакции будут обрабатываться одновременно и параллельно с каждым шардом. У каждого шарда будет «комитет», состоящий из 128 валидаторов. Эти комитеты будут отвечать за предложение и проверку каждого блока каждые 12 секунд.
Почему шардинг блокчейна важен?
Помимо преимуществ масштабируемости блокчейна, сегментирование также имеет важные последствия для децентрализации. Шардинг позволяет большему количеству узлов участвовать в сети и обрабатывать транзакции, тем самым увеличивая децентрализацию и распределение власти в сети. Это также потенциально может повысить безопасность, поскольку в высоко децентрализованной сети нет единой точки отказа.
Но шардинг также создает новые проблемы для децентрализации. Поскольку узлы в сегментированной сети разделены на более мелкие группы, вероятность сговора и централизации внутри этих групп выше.
Вот тут-то и приходит на помощь решение Ethereum с danksharding. Оно допускает большую случайность и разнообразие среди членов комитета, тем самым смягчая эти потенциальные проблемы централизации.
Используя выборку доступности данных, danksharding позволит Ethereum проверять огромные объемы данных путем выборки из небольшого числа узлов и снижения вероятности манипулирования данными.
В целом, сегментирование является важным шагом для технологии блокчейна, чтобы обеспечить массовое внедрение и решить проблемы масштабируемости. Хотя это создает свои проблемы, правильная реализация может привести к повышению производительности и децентрализации в сети блокчейн.
Что такое шардинг в Эфириуме?
Шардинг в Ethereum будет работать вместе с накопительными пакетами уровня 2 или смарт-контрактами в основной сети, которые обрабатывают и хранят данные транзакций вне сети. Таким образом, сегментирование будет обрабатывать транзакции, в то время как накопительные пакеты будут обрабатывать данные о состоянии, создавая более эффективную систему для масштабирования Ethereum как в сети, так и вне сети.
Хотя нет установленных сроков, когда шардинг будет полностью внедрен в Ethereum, первоначальные разговоры о доставке шардинга в 2023 году обсуждались в сообществе Ethereum и публиковались на сайте Ethereum.
По словам команды Ethereum, планы шардинга еще не завершены, и они все еще ищут способы сделать шардинг максимально эффективным. Как упоминалось ранее, danksharding на данный момент является одним из лидеров.
Тем не менее, кажется, что консенсус заключается в том, что ранние цепочки сегментов изначально будут выделены для предоставления сети дополнительных данных, а не для обработки смарт-контрактов и транзакций. Ожидается, что в сочетании с накопительными пакетами это значительно повысит масштабируемость.
В частности, накопительные пакеты позволят децентрализованным приложениям (DApps) объединять транзакции в одно, хранить их вне сети и генерировать криптографические доказательства для отправки в блокчейн. При использовании в сочетании с сегментами, обеспечивающими дополнительную доступность данных, оба метода вполне могут сделать реальностью 100 000 TPS.
Конечная цель, конечно же, состоит в том, чтобы сделать осколки Ethereum максимально функциональными. Таким образом, они могут хранить и выполнять код, а также обрабатывать транзакции в будущем. Это означало бы, что каждый сегмент должен содержать уникальный набор балансов счетов и смарт-контрактов, что требует межсегментной связи для облегчения транзакций между сегментами.
Однако, как уже говорилось, еще ничего не высечено на камне, и эти дополнительные функции все еще обсуждаются и исследуются в сообществе Ethereum. Несмотря на это, первый вариант — полностью отказаться от идеи исполнения состояния — сегменты не будут обрабатывать смарт-контракты и будут просто функционировать как хранилища данных.
Второй вариант — прийти к некоторому компромиссу и сделать некоторые осколки «умнее». Это означает добавление функциональности к нескольким осколкам выполнения и сохранение остальных функций в обычном режиме. Другой вариант — вообще отложить обсуждение функциональности сегментов и дождаться реализации snarks с нулевым разглашением.
SNARK с нулевым разглашением — это тип криптографического доказательства, которое устанавливает существование транзакций без необходимости раскрывать какие-либо данные о них. Потенциально это может решить проблему обмена данными между осколками, поскольку zk-SNARK позволяет проверять передачи между осколками без необходимости раскрывать какие-либо конфиденциальные данные.
В целом, шардинг представляет большой потенциал для Ethereum и всей индустрии блокчейнов, но он также сопряжен с собственным набором проблем, которые необходимо решить до полной реализации.
Однако при правильном выполнении шардинг может привести к повышению производительности и децентрализации в сети Ethereum. Некоторые особенности шардинга в сети Ethereum:
Децентрализованная работа узла
Каждый может запустить ноду на сегментированном Эфириуме. Вместо масштабирования за счет увеличения размера существующей базы данных (что может привести к централизации), сегментирование позволяет Ethereum масштабироваться, сохраняя децентрализованность.
В масштабируемой сети с постоянно увеличивающейся базой данных сетевые валидаторы должны будут соответствовать техническим требованиям сети. К ним относятся дорогие компьютеры, большие счета за электроэнергию, системы охлаждения и расходы на техническое обслуживание.
При такой системе централизация может невольно проникнуть в силу чрезмерно высоких входных барьеров. Шардинг, с другой стороны, не требует от валидаторов хранения всех данных о состоянии сети на своих компьютерах. Вместо этого методы данных могут быть занятый (например, накопительные пакеты с нулевым разглашением), чтобы подтвердить, были ли данные доступны в сети.
Расширение участия
Одним из долгосрочных преимуществ шардинга на Ethereum является более широкое участие. Поскольку сеть сможет масштабироваться управляемо и безопасно, цель состоит в том, чтобы достичь точки, когда люди в конечном итоге смогут запускать Ethereum на ноутбуке или мобильном телефоне.
В идеале работающие клиенты (программное обеспечение, необходимое для взаимодействия с сетью Ethereum и просмотра ее данных) станут гораздо более доступными, привлекая более широкое глобальное сообщество пользователей. Это возвращает нас к безопасности и децентрализации, поскольку более децентрализованная сеть значительно снижает вероятность атаки или сбоя.
Повышенная производительность и эффективность
Шардинг увеличит скорость и пропускную способность Ethereum, поскольку обработка транзакций больше не будет ограничиваться одной цепочкой. Подсчитано, что шардинг потенциально может привести к увеличению количества транзакций в секунду в сети на
величины, приближая его к конкурирующим платежным системам, таким как Visa или PayPal, которые способны обрабатывать тысячи транзакций в секунду.
Безопасен ли шардинг?
Конечно, одной из самых больших проблем при обновлении сети является безопасность. Шардинг разделяет Ethereum на более мелкие сети, что может беспокоить некоторых. Одной из потенциальных проблем является возможность атак между осколками, когда злоумышленник потенциально может нацелиться на несколько осколков и нанести ущерб всей сети.
Тем не менее, протокол Ethereum был разработан с учетом мер для решения таких проблем, включая случайную выборку для валидаторов, а также меры предотвращения недопустимых переходов состояний и зависимости от порядка транзакций.
Ethereum Foundation и более широкое сообщество также постоянно исследуют и разрабатывают решения потенциальных проблем в сегментировании с конечной целью создания безопасной, масштабируемой и децентрализованной сети для всех.
В случае успешного внедрения технология шардинга на Ethereum сможет трансформировать предприятия и отрасли, способствуя массовому внедрению и открывая новые варианты использования технологии блокчейн. Повышение эффективности и создание новых возможностей через общие сети создания стоимости, глобальные цепочки поставок и децентрализованные финансы — это лишь некоторые из возможностей.
