В этой статье расскажу, что такое шардинг в Ethereum и почему он важен для масштабирования блокчейна Ethereum.
Сообщество разработчиков Ethereum стремится решить проблемы масштабируемости блокчейна с помощью обновлений. После смены алгоритма консенсуса (PoS) следующим шагом на пути к масштабируемости стал шардинг Ethereum.
Что такое шардинг
Шардинг — это решение по масштабированию, направленное на повышение пропускной способности сети Ethereum и скорости транзакций.
Основная сеть Ethereum делится на более мелкие, взаимосвязанные сети, называемые "шардами". Каждый шард обрабатывает свои транзакции и смарт-контракты параллельно с другими, что значительно увеличивает пропускную способность сети и помогает снизить комиссию.
Шардинг также способствует децентрализации сети Ethereum, поскольку снижает нагрузку на отдельные ноды, распределяя нагрузку по многим узлам.
Понять определение шардинга в Ethereum можно, определив основные цели, стоящие за шардингом.
В случае централизованного управления базами данных шардинг необходим, поскольку количество пользователей конкретного приложения продолжает расти. Увеличение числа пользователей приложения приводит к росту объема данных, хранящихся в базе данных программного обеспечения.
Впоследствии перегруженная база данных может повлиять на производительность приложения и на удобство работы пользователей. Шардинг позволяет решить эту проблему, снижая нагрузку на базы данных и улучшая время загрузки.
Важный нюанс: шардинг существует не только в Ethereum. Это распространенная технология и вне блокчейна.
Как работает шардинг в Ethereum
Шардинг в Ethereum начинается с разделения сети на несколько секций. Каждый шард управляет набором нод, обрабатывающих транзакции. Соответственно, узлы в каждом шарде обрабатывают транзакции, принадлежащие этому шарду. Валидаторы на каждом шарде проверяют транзакции и поддерживают безопасность.
Распределение по шардам происходит случайным образом, и для участия в нем валидаторы должны иметь определенный стейк эфириума. В соответствии с механизмом консенсуса proof of stake, валидатор вносит 32 $ETH за свое участие.
Метод шардинга отличается от существующего формата обработки транзакций, когда все узлы участвуют в каждой транзакции. Межшардовая связь предотвращает дублирование ролей, при этом шарды обмениваются информацией о своих транзакциях.
В настоящее время полные ноды* занимают много места и постоянно увеличиваются в размерах по мере присоединения к платформе новых пользователей. Шардинг позволяет уменьшить их размер, поскольку пользователям требуется хранить только часть информации о транзакциях Ethereum.
*Полные ноды (full Nodes) формируют основу блокчейна и содержат информацию о каждом блоке с возникновения платформы. К примеру, полные ноды сети биткоина содержат весь блокчейн BTC, который весит около 350 Гб. Для обработки такого количества данных нужна внушительная вычислительная мощность.
К тому же полная нода должна быть круглосуточно подключена к сети, иначе данные ее архива перестанут быть актуальными. Именно полные ноды проверяют блоки, транзакции и цифровые подписи. В случае нарушения правил, они отклоняют проведение операции, что обеспечивает безопасность сети.
Облегченные ноды (Light Nodes) загружают не всю цепочку блоков, а только ее часть. В противовес полным нодам не могут сами проверять транзакции и блоки. Для проверки данных им приходится обращаться к полным узлам сети.
Планы по внедрению шардинга в Ethereum
Один из ключевых вопросов, касающихся шардинга в Ethereum, связан с его доступностью. На данный момент, по заявлениям самой компании Ethereum, следует полагать, что шардинг станет реальностью в 2024 году.
В дорожной карте Ethereum есть несколько ключевых моментов, которые нужно решить перед внедрением технологии.
Доступность данных
На первом этапе внедрения шардинга основное внимание будет уделено доступности данных. Здесь развертывания цепочек шардов будет работать на добавление данных в сеть. Первые шардинговые цепочки не будут работать со смарт-контрактами и связанными с ними транзакциями. Зато они позволят существенно повысить скорость транзакций в секунду (TPS) за счет поддержки роллапов*.
*Роллапы — это один из популярных примеров Layer2-технологий. Интересно, что роллапы могут оказать серьезную поддержку шардингу блокчейна Ethereum с пачками транзакций. Роллапы помогают объединять или сворачивать транзакции в одну вне блокчейн транзакцию с последующей разработкой криптографического доказательства.
Максимально простыми словами, роллапы выполняют транзакцию основной сети вне ее, а потом добавляют данные по совершенной транзакции обратно в основную сеть.
Выполнение кода
Второй этап дорожной карты шардинга Ethereum будет посвящен выполнению кода. Ethereum планировал внедрить в шарды новые дополнительные функции, которые сделают их более похожими на мэйннет Ethereum. В результате шарды могут стать достаточно мощными для хранения и выполнения кода, а также управления транзакциями.
Каждый шард будет обладать уникальной коллекцией балансов счетов и смарт-контрактов и сможет обрабатывать транзакции подобно самому блокчейну Ethereum. Кроме того, на следующем этапе развития шардов особое внимание будет уделено межшардовому взаимодействию для упрощения транзакций между шардами.
Взаимодействие с апгрейдами
Важно понимать, как цепочки шардов будут взаимодействовать с другими апгрейдами. Шарды будут взаимосвязаны с блокчейном Ethereum. Поэтому задачи по поддержанию безопасности шардов и их эффективной синхронизации были эффективно интегрированы в Ethereum.
Для обеспечения непрерывной работы блокчейна валидаторы (стейкеры) должны будут распределять свои обязанности по шардингу. Применение шардинга в Ethereum предполагало бы необходимость доступа к сканированию и сохранению данных для других шардов. В результате они могли бы создать целостное представление о состоянии Ethereum для поддержания всего блокчейна.
Плюсы шардинга
Повышение эффективности и масштабируемости
Собственно, об этом была вся статья. Вместо обработки транзакций одной цепочкой шардинг позволяет выполнять параллельную обработку, что увеличивает количество транзакций. Это позволит в значительной степени конкурировать со скоростью транзакций Web2. Такие платежные системы, как MasterCard и Visa, обрабатывают до 24 000 транзакций в секунду (TPS), в то время как скорость Ethereum в настоящее время составляет 20-30 TPS.
Повышенная децентрализация
Шардинг предоставляет возможность масштабирования без ущерба для безопасности транзакций. В конечном итоге люди могут подтверждать транзакции без специализированного оборудования или высокого потребления электроэнергии после перехода на PoS.
Минусы шардинга
Уязвимости для хаков
Поскольку обработка транзакций разбита на уровне шардов, хакеры могут атаковать отдельный блок. В случае успеха они могут передать информацию о недействительных транзакциях другим шардам, что может поставить под угрозу безопасность всей сети.
Совместимость смарт-контрактов
Разработчикам может потребоваться модифицировать коды своих смарт-контрактов, поскольку не все из них могут быть совместимы с шардингом. Для тех контрактов, которые уже работают в сети и не имеют возможности обновления, это может создать трудности в их исполнении из-за несовместимости.
Проблемы централизации
Парадокс шардинга. При разделении узлов на более мелкие группы возникает возможность сговора. Такой сговор может привести к централизации, что противоречит идее Web3.
Однако возможным решением проблемы является данкшардинг*.
*Danksharding — это метод масштабирования роллапов в Ethereum, при котором пропускная способность транзакций увеличивается за счет предоставления дополнительного места для хранения сворачиваемых транзакций. Danksharding является ключевой особенностью второго этапа дорожной карты масштабирования Ethereum под названием The Surge.
И все же, несмотря на все минусы, успешное внедрение шардинга может открыть новые возможности использования Ethereum, поскольку все больше компаний решат воспользоваться быстрыми и безопасными транзакциями, которые может обеспечить сеть.
