Как устроена технология шардинга и для чего она нужна
Шардинг как одна из перспективных стратегий масштабирования привлек внимание Виталика Бутерина, создателя второй по важности криптовалюты цифрового мира. Расскажем, что такое шардинг, как работает эта технология и зачем внедрять ее на блокчейне.
Как работает шардинг
Шардинг – это метод разделения и хранения единого логического набора данных в виде множества баз данных. Другое определение шардинга — горизонтальное разделение данных.
Шардинг данных разделяют на вертикальный и горизонтальный, потому что база данных изначально представляла собой таблицу. Если таблица разделена на вертикальные столбцы (заголовок и все данные под ним), то это вертикальный шардинг. А таблица с разделением по строкам (заголовки всех столбцов и части таблицы под ней) – это горизонтальный шардинг.
Концепция шардинга применялась в управлении традиционными централизованными базами данных с конца 1990-х годов. Причем 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.
Для чего нужен шардинг в трейдинге
Если коротко, то для решения проблем с масштабированием в блокчейне.
Это случается, когда текущий сервер базы данных уже не может так же быстро и эффективно справляться с нагрузкой и давать ответ на запросы приложения.
В этом случае базу данных и делят на части, отправляя на разные шарды. Также совместно с шардингом часто используют репликацию. В этом случае сервера (шарды) получают копии самих себя. Это повышает отказоустойчивость системы.
Что такое шардинг в блокчейне
В блокчейне шардинг применяется на уровне транзакции (основе блокчейна большинства криптовалют). Именно транзакции разбиваются на отдельные части, которые также называются шардами. Эти части отправляются на разные узлы блокчейна и обрабатываются ими.
В теоретических конструкциях шардинг позволяет криптовалютам ускорить процесс обработки транзакции. Но на практике его применение достаточно часто связано с различными сложностями.
По мнению экспертов, не существует механизма, отслеживающего особенности обработки транзакций каждой из нод. Поэтому все чаще участники криптовалютного сообщества обсуждают создание особого механизма, который будет безопасно и быстро работать в блокчейне.
Кроме того, также не разработан алгоритм доверия между нодами. Дело в том, что в криптовалютном блокчейне ноды не имеют права просто доверять друг другу – они должны приходить к независимому консенсусу. Также необходимо подтверждение того, что обе ноды закончили процесс обработки.
Эффективно применять шардинг можно в блокчейнах с алгоритмом proof-of-stake (полным или частичным), а сейчас с проблемой масштабирования сталкиваются в основном криптовалюты с алгоритмом proof-of-work.
Кому нужен шардинг
Zilliqa — первая платформа, внедрившая шардинг. На стадии тестнета она сумела достичь показателя 2828 транзакций в секунду.
В свою очередь 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.
Впрочем, специалисты признают, что Ethereum — единственный достаточно крупный блокчейн, который даже при переходе на Proof-of-stake будет заинтересован в реализации этой технологии.
В свое время пользователи Ethereum столкнулись с тем, что блокчейн уже не в состоянии обрабатывать растущее количество транзакций. Особенно явно это стало заметно, когда набрала огромную популярность игра Cryptokitties и существенно замедлила работу блокчейна.
Внедрение технологии шардинга требует алгоритма консенсуса Proof-of-Stake (PoS). И если сейчас сеть эфира работает на Proof-of-work (PoW), то скоро она перейдет на протокол Casper, что означает использование гибридного протокола PoW/ PoS. А это приближает внедрение шардинга.
Доводы экспертов Бутерин отчасти подтвердил в рамках конференции ETHLondonUK во время совместного выступления с одним руководителей Consensys Джо Любиным. Обсуждая будущее Ethereum, два топа криптоиндустрии подняли темы шардинга и использования публичных сетей в секторе DeFi.
«Шардинг является масштабируемым решением первого уровня и использует микросети для проверки отдельных транзакций в блокчейне Ethereum. Это позволяет не производить проверку всеми узлам по отдельности, разделяя работу для более мелких групп узлов и тем самым масштабируя ETH до 100 000 транзакций в секунду», – подчеркнул Бутерин. По его словам, шардинговое решение находится в стадии разработки и может быть реализовано уже в этом году при переходе на Eth 2.0 и особо отметил неизбежность выхода продукта на рынок.
Приведя в пример проект Tornado Cash, реализовавший возможность конфиденциальных транзакций, Бутерин заявил, что пользователи сети Ethereum уже в следующем году смогут рассчитывать на повышение приватности.
Что такое шардинг: основные недостатки
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 «общаться» 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.
Кстати, Ethereum предлагает решение в виде рандомизированной выборки — протоколы шарда случайным образом назначаются в различные секции для подтверждения аутентификации блоков.
Альтернативы шардингу
Среди целого ряда альтернативных шардингу решений, позволяющих повысить производительность и скорость транзакций в блокчейнах, специалисты выделяют два наиболее рациональных.
Одно из решений заключается в увеличении размеров блока. Считается, что чем больше размер блока, тем больше транзакций в нем поместится.
Понятно, что это предложение не лишено недостатков. Во-первых, 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.
Кроме того, высокая стоимость такого компьютерного оборудования как правило, означает, что пулы нод, неизбежно уменьшившись, станут одновременно более централизованными, что повышает риск атаки 51%. Еще одна опасность такого подхода – неизбежность хардфорка, который грозит расколом сообщества: если не все пользователи примут обновление, то возникнут две разные цепи, использующие разные монеты.
Вот и получается, что увеличение размера блока не может быть долгосрочным решением.
Вторая альтернативная шардингу модель предполагает использование альткоинов. Ее суть в том, чтобы различные функции и приложения были реализованы на собственных сетях с собственными монетами.
С одной стороны, подобная модель приведет к повышению производительности, поскольку единый блокчейн не будет перегружен, но вместе с тем увеличит риски безопасности, так как вычислительные мощности распределятся по нескольким блокчейнам. Еще один растущий риск этой модели — риск взлома сети. Ведь в этом случае вычислительная мощность, необходимая для осуществления атаки 51%, будет гораздо меньше.
Подписывайтесь на наш канал Currency.com Здесь все самые актуальные новости из мира финансов, криптовалют и технологий