Sharding

O que é Sharding?

Sharding é uma técnica de escalabilidade em blockchain que divide a rede em várias partições paralelas, permitindo que diferentes nós processem e armazenem apenas um subconjunto de dados e transações. Isto aumenta a capacidade global da cadeia.

Neste contexto, um nó corresponde a um servidor ou computador que integra a rede e mantém o registo distribuído em conjunto. O sharding permite que os nós partilhem responsabilidades, eliminando a necessidade de cada nó processar todas as transações, o que resulta em operações de rede mais rápidas e eficientes em termos de custos. Para garantir segurança e consistência, o sharding exige comunicação entre shards e coordenação de consenso global.

Por que é que o Sharding é importante para blockchains?

O sharding ultrapassa as limitações das arquiteturas de cadeia única, onde cada nó tem de processar todas as transações. Em períodos de pico, isto gera estrangulamentos, levando a tempos de confirmação mais longos e taxas mais elevadas.

Por exemplo, quando a Ethereum está congestionada, a capacidade da camada base é limitada e as taxas de transação aumentam substancialmente. Ao distribuir o processamento e o armazenamento de dados por várias partições paralelas, o sharding aumenta a largura de banda da rede, proporciona confirmações mais rápidas e estabiliza as taxas. Os programadores beneficiam também de maior capacidade de dados, permitindo aplicações mais sofisticadas, como atualizações do estado de jogos em cadeia ou armazenamento de mensagens sociais em grande escala.

Como funciona o Sharding?

O mecanismo central do sharding é "particionamento + comités + consenso em toda a rede". Cada shard funciona como uma subcadeia leve com os seus próprios processos de produção e validação de blocos, mantendo-se parte integrante da rede principal.

Os validadores são nós que participam na produção e verificação de blocos ao fazer staking de ativos para elegibilidade. A rede seleciona aleatoriamente grupos de validadores para formar comités, que supervisionam a produção e validação de blocos para shards específicos durante períodos determinados. A seleção aleatória reduz o risco de conluio.

Disponibilidade de dados significa que "os dados são realmente armazenados pela rede e acessíveis a qualquer pessoa"—semelhante a um backup do registo público. O sharding garante disponibilidade de dados ao publicar informação e ao ter muitos nós a atestar a sua existência, tornando possível validação e reconstrução futuras.

Para garantir consistência final, os blocos dos shards são confirmados através do consenso da rede principal. Esta abordagem permite processar shards em paralelo, mas assegura que a blockchain apresenta um registo unificado e seguro.

Como são processadas as transações entre shards?

As transações entre shards utilizam geralmente um modelo de "mensagens assíncronas": uma transação no shard de origem gera uma mensagem ou recibo, que é executado no shard de destino após confirmação.

Passo 1: Iniciar a transação no shard de origem, gerando uma mensagem verificável que regista a transferência de ativos ou operação.

Passo 2: A mensagem é registada via consenso em toda a rede; outros shards podem detetar a sua existência. O shard de destino aguarda confirmações suficientes—conhecidas como "finalidade", o que significa que o registo não pode ser revertido.

Passo 3: O shard de destino recebe e executa a mensagem, atualizando saldos ou estados e registando-a no seu próprio bloco.

Este design sacrifica a atomicidade síncrona (concluir todos os passos em simultâneo) em prol da escalabilidade e segurança. Para os utilizadores, ações entre shards podem ser ligeiramente mais lentas do que transferências dentro do mesmo shard, mas, uma vez alcançada a finalidade, a segurança e rastreabilidade são preservadas.

Qual é o estado atual do Sharding na Ethereum?

O plano de desenvolvimento do sharding na Ethereum passou de "sharding da camada de execução" para "sharding de dados", com a escalabilidade atualmente coordenada em conjunto com Rollups. Em março de 2024, a atualização Dencun introduziu o EIP-4844 (Proto-Danksharding), que adicionou um canal de dados "Blob" para reduzir significativamente os custos de publicação de dados dos Rollups (Ethereum Foundation, março de 2024).

Após o EIP-4844, as transferências simples em várias redes Layer 2 passaram a custar apenas alguns cêntimos em taxas (L2Fees, março–junho de 2024). Em outubro de 2024, o Danksharding completo—que expande os mecanismos de sharding e amostragem de dados—continua em desenvolvimento, com o objetivo de aumentar ainda mais a largura de banda de dados para aplicações robustas.

EIP-4844 refere-se ao número de atualização do protocolo Ethereum; Blob é um canal especializado de grandes volumes de dados utilizado principalmente por Rollups para publicação mais económica de provas e dados de transações em lote na mainnet.

Como se relacionam Sharding e Rollup?

Sharding e Rollups funcionam em conjunto: o sharding aumenta a largura de banda de dados na mainnet e garante disponibilidade, enquanto os Rollups realizam a execução de transações na Layer 2 e publicam dados e provas essenciais na mainnet.

Os Rollups agregam várias transações e submetem registos críticos à mainnet. O sharding assegura espaço de armazenamento suficiente para estes registos, tornando-os descarregáveis e verificáveis por qualquer pessoa. Esta colaboração mantém uma forte segurança enquanto reduz drasticamente os custos.

Quais são os principais casos de uso do Sharding?

Para os utilizadores, o sharding proporciona confirmações mais estáveis e taxas mais baixas—especialmente evidente em ecossistemas baseados em Rollup. Os casos típicos incluem transferências, atualizações de estado de jogos em blockchain, provas de mensagens em plataformas sociais e minting massivo de NFT.

Os programadores beneficiam de maior largura de banda de dados para suportar registos densos de eventos, livros de ordens em lote e análises on-chain avançadas. Com Rollups, a computação intensiva pode ser realizada fora da cadeia, enquanto os dados essenciais são publicados através dos canais de sharding na mainnet.

Para experimentar os benefícios de custo e velocidade do sharding:

Passo 1: Escolher uma rede Layer 2 (por exemplo, Arbitrum, Optimism, Base), que publica dados via canal Blob da Ethereum.

Passo 2: Na página de depósito ou levantamento de ETH da Gate, selecionar a rede pretendida. Atentar às indicações da rede e alterações de taxas—evitar transacionar durante períodos de elevada congestão.

Passo 3: Utilizar carteiras e aplicações compatíveis para transferir fundos, negociar ou jogar nestas redes; monitorizar confirmações de transação e detalhes de taxas.

Em que é que o Sharding em blockchain difere do sharding tradicional em bases de dados?

O sharding tradicional em bases de dados escala sistemas centralizados geridos por uma única equipa. As transações entre shards dependem de protocolos de consistência forte ou commits em duas fases para garantir atomicidade.

O sharding em blockchain tem de garantir segurança num ambiente aberto e adversarial. Utiliza comités aleatórios e provas criptográficas para evitar que agentes maliciosos controlem shards. Mensagens assíncronas transferem resultados entre shards, já que não existe um coordenador central de confiança. O sharding on-chain privilegia a finalidade e a disponibilidade de dados em detrimento de commits atómicos globais em tempo real.

Que riscos devem ser considerados no Sharding?

Os riscos associados ao sharding incluem atrasos e complexidade na comunicação entre shards, casos extremos na conceção de smart contracts e falhas raras na disponibilidade de dados.

Para segurança de ativos, a ponte entre shards ou cadeias envolve estados intermédios à espera de confirmação; atenção a mensagens falsas ou registos ainda não finalizados. Utilizar protocolos maduros, rever relatórios de auditoria e diversificar riscos são precauções comuns.

Os utilizadores devem verificar se carteiras e aplicações suportam sharding, seguir anúncios de atualizações da rede e monitorizar flutuações de taxas; os programadores devem gerir lógica assíncrona com cuidado—evitar assumir atomicidade estrita em ambientes shardizados, implementar estratégias robustas de repetição e rollback.

Principais conclusões sobre Sharding

O sharding é uma solução fundamental de escalabilidade para blockchains públicas. Ao paralelizar o processamento e o armazenamento de dados, aumenta drasticamente a capacidade da rede. A abordagem líder foca-se no sharding de dados combinado com execução baseada em Rollup. O EIP-4844 da Ethereum já reduziu significativamente as taxas; o Danksharding completo irá expandir ainda mais a largura de banda de dados. No curto prazo, os utilizadores podem beneficiar do sharding através de redes Layer 2; as atualizações de protocolo a longo prazo irão suportar aplicações mais complexas a funcionar de forma fiável no ecossistema shardizado. No entanto, é necessário cautela relativamente à comunicação entre shards e à segurança de ativos.

FAQ

Qual é o papel de uma Sharding Key?

A Sharding Key é um campo crítico que determina como os dados são distribuídos entre shards. Tal como uma etiqueta de classificação, o sistema faz hash desta chave para encaminhar automaticamente transações ou dados para os respetivos shards. A escolha adequada da Sharding Key garante distribuição equilibrada e evita sobrecarga de shards.

O sharding torna as transações menos seguras?

O sharding, por si só, não diminui a segurança, mas introduz novos riscos que devem ser geridos. Como cada shard tem apenas um subconjunto de validadores, atacantes podem achar mais fácil atacar um shard individual ("ataque ao shard"). Os designs modernos alocam validadores dinamicamente usando beacon chains para coordenação centralizada, mantendo alta segurança em toda a rede.

Os utilizadores da Gate devem preocupar-se com sharding ao transacionar?

Não. O sharding é uma otimização subjacente da blockchain invisível para os utilizadores finais. Ao transacionar ou negociar na Gate, o sistema gere automaticamente toda a alocação de dados e coordenação entre shards. O sharding beneficia principalmente os programadores que constroem Dapps mais rápidas e aumenta a capacidade global da rede.

Porque é que nem todas as blockchains recorrem ao sharding?

Embora o sharding aumente substancialmente a capacidade, também eleva a complexidade da rede. Requer protocolos robustos de comunicação entre shards, gestão consistente de dados e defesas contra ataques ao nível dos shards. Muitos projetos preferem soluções de escalabilidade mais simples, como Rollups; a Ethereum está a integrar o sharding gradualmente para máxima compatibilidade e segurança.

Como garantem as blockchains a ordem e consistência das transações entre shards?

Transações entre shards utilizam mecanismos de commit em duas fases ou mensagens assíncronas para garantir consistência. Na prática, os resultados do shard A são registados; outros shards (como o shard B) obtêm estes resultados através de beacon chains antes de executar transações dependentes. Este processo introduz ligeiros atrasos, mas garante consistência final em toda a rede.