Шардинг

Что такое шардирование?

Шардирование — это метод масштабирования блокчейна, при котором сеть разделяется на несколько параллельных партиций. Благодаря этому отдельные узлы обрабатывают и хранят только часть данных и транзакций, что увеличивает общую пропускную способность цепи.

В данном случае узел — это сервер или компьютер, который участвует в поддержании сети и совместно ведет реестр. Шардирование позволяет разделить задачи между узлами, поэтому каждый узел не обрабатывает все транзакции. Это ускоряет работу сети и снижает затраты. Для безопасности и согласованности требуется межшардовая коммуникация и глобальная координация консенсуса.

Почему шардирование важно для блокчейнов?

Шардирование устраняет ограничения одноцепочных архитектур, где каждый узел должен обрабатывать все транзакции. В периоды пиковых нагрузок это создает узкие места, увеличивает время подтверждения и повышает комиссии.

Например, при перегрузке Ethereum базовый уровень ограничен по пропускной способности, а комиссии за транзакции растут. При распределении обработки и хранения данных между несколькими партициями шардирование увеличивает пропускную способность, ускоряет подтверждения и стабилизирует комиссии. Разработчики получают больше возможностей для работы с данными, что позволяет реализовывать сложные приложения, например обновление состояния игр на блокчейне или хранение больших объемов сообщений социальных платформ.

Как работает шардирование?

Основной принцип шардирования — это «партиционирование + комитеты + консенсус сети». Каждый шар функционирует как легкая подцепочка с собственным выпуском и проверкой блоков, оставаясь частью основной сети.

Валидаторы — это узлы, которые участвуют в создании и проверке блоков, размещая активы в стейкинге для получения права на участие. Сеть случайным образом формирует группы валидаторов — комитеты, которые контролируют выпуск и проверку блоков отдельных шардов в определенные интервалы. Случайный выбор снижает риск сговора.

Доступность данных означает, что «данные действительно хранятся сетью и доступны любому» — аналогично резервной копии публичного реестра. Шардирование обеспечивает доступность данных путем публикации информации и подтверждения ее наличия множеством узлов, что делает возможной последующую проверку и восстановление.

Для итоговой согласованности блоки шардов окончательно подтверждаются через консенсус основной сети. Такой подход позволяет шардам работать параллельно, но блокчейн остается единым и безопасным реестром.

Как обрабатываются межшардовые транзакции?

Межшардовые транзакции обычно используют модель асинхронных сообщений: транзакция в исходном шарде создает сообщение или квитанцию, которое исполняется в целевом шарде после подтверждения.

Шаг 1: Инициировать транзакцию в исходном шарде, сформировать проверяемое сообщение о передаче актива или операции.

Шаг 2: Сообщение записывается через консенсус сети; другие шарды фиксируют его наличие. Целевой шард ожидает достаточного числа подтверждений — финальности, когда запись нельзя отменить.

Шаг 3: Целевой шард получает и исполняет сообщение, обновляет балансы или состояния и записывает это в свой блок.

Такой подход жертвует синхронной атомарностью (одновременным завершением всех шагов) ради масштабируемости и безопасности. Для пользователей межшардовые действия могут быть немного медленнее, чем внутри одного шарда, но после финальности сохраняются безопасность и отслеживаемость.

Каково текущее состояние шардирования в Ethereum?

План шардирования Ethereum сменился с «шардирования уровня исполнения» на «шардирование данных», масштабирование теперь координируется с Rollups. В марте 2024 года обновление Dencun внедрило EIP-4844 (Proto-Danksharding), который добавил канал данных Blob и значительно снизил расходы на публикацию данных Rollup (Ethereum Foundation, март 2024).

После EIP-4844 простые переводы в различных сетях второго уровня стали стоить всего несколько центов (L2Fees, март–июнь 2024). На октябрь 2024 года полноценный Danksharding, расширяющий механизмы шардирования и выборки данных, еще находится в разработке, его цель — дальнейшее увеличение пропускной способности данных для устойчивой работы приложений.

EIP-4844 — это номер обновления протокола Ethereum; Blob — специализированный канал для передачи больших объемов данных, который используется Rollups для дешевой публикации доказательств и пакетных транзакций в основной сети.

Как связаны шардирование и Rollup?

Шардирование и Rollups работают совместно: шардирование увеличивает пропускную способность основной сети и обеспечивает доступность данных, а Rollups выполняют транзакции на втором уровне, затем публикуют ключевые данные и доказательства в основную сеть.

Rollups объединяют множество транзакций и отправляют важные записи в основную сеть. Шардирование гарантирует наличие достаточного пространства для хранения этих записей, что делает их доступными и проверяемыми для всех. Такое взаимодействие поддерживает высокий уровень безопасности при резком снижении издержек.

Каковы ключевые сценарии применения шардирования?

Для пользователей шардирование обеспечивает стабильные подтверждения и низкие комиссии — особенно в экосистемах на базе Rollup. Типичные сценарии: переводы, обновление состояния игр, подтверждение сообщений социальных платформ, массовый выпуск NFT.

Разработчики получают большую пропускную способность данных, что позволяет вести плотные журналы событий, формировать пакетные книги заявок и проводить глубокую ончейн-аналитику. При использовании Rollups сложные вычисления выполняются вне цепи, а ключевые данные публикуются через шардированные каналы основной сети.

Чтобы получить преимущества шардирования по стоимости и скорости:

Шаг 1: Выберите сеть второго уровня (например, Arbitrum, Optimism, Base), которая публикует данные через канал Blob в Ethereum.

Шаг 2: На странице депозита или вывода ETH на Gate выберите нужную сеть. Учитывайте подсказки и изменения комиссий, избегайте транзакций в периоды высокой загрузки.

Шаг 3: Используйте совместимые кошельки и приложения для переводов, торговли или игр на этих сетях; отслеживайте подтверждения транзакций и детали комиссий.

Чем шардирование блокчейна отличается от традиционного шардирования баз данных?

Традиционное шардирование баз данных масштабирует централизованные системы, управляемые одной командой. Межшардовые транзакции используют строгие протоколы согласованности или двухфазные подтверждения для атомарности.

Шардирование блокчейна должно обеспечивать безопасность в открытой и потенциально враждебной среде. Для этого используются случайные комитеты и криптографические доказательства, предотвращающие захват шардов злоумышленниками. Асинхронные сообщения передают результаты между шардами, поскольку нет доверенного центрального координатора. В ончейн-шардировании приоритет отдается финальности и доступности данных, а не мгновенным глобальным атомарным операциям.

Какие риски следует учитывать при шардировании?

К рискам шардирования относятся задержки и сложность межшардовой коммуникации, пограничные случаи в проектировании смарт-контрактов, а также редкие сбои доступности данных.

Для безопасности активов при межшардовых или межсетевых мостах возникают промежуточные состояния, ожидающие подтверждения; возможны ложные сообщения или записи, которые еще не финализированы. Использование зрелых протоколов, изучение аудиторских отчетов и диверсификация рисков — распространенные меры предосторожности.

Пользователям рекомендуется проверять поддержку шардирования в кошельках и приложениях, следить за объявлениями о сетевых обновлениях и изменениями комиссий. Разработчикам важно грамотно реализовывать асинхронную логику, избегать предположения о строгой атомарности в шардах, внедрять надежные стратегии повторов и откатов.

Основные выводы о шардировании

Шардирование — ключевое решение для масштабирования публичных блокчейнов. Параллельная обработка и хранение данных значительно увеличивают емкость сети. Основной подход — шардирование данных в сочетании с выполнением на базе Rollup. EIP-4844 в Ethereum уже существенно снизил комиссии; полноценный Danksharding еще больше расширит пропускную способность данных. В ближайшее время пользователи могут воспользоваться преимуществами шардирования через сети второго уровня, а долгосрочные обновления протокола позволят запускать более сложные приложения в устойчивой шардинированной экосистеме. Однако важно учитывать риски межшардовой коммуникации и безопасности активов.

FAQ

Какова роль ключа шардирования?

Ключ шардирования — это важное поле, определяющее распределение данных между шардами. Подобно тегу классификации, система хеширует этот ключ для автоматической маршрутизации транзакций или данных в соответствующие шарды. Правильный выбор ключа шардирования обеспечивает равномерную нагрузку и предотвращает перегрузку отдельных шардов.

Уменьшает ли шардирование безопасность транзакций?

Само по себе шардирование не снижает безопасность, но вносит новые риски, которые необходимо учитывать. Поскольку в каждом шарде работает только часть валидаторов, злоумышленникам проще атаковать отдельный шар («атака на шар»). Современные архитектуры динамически распределяют валидаторов с помощью beacon chain для единой координации, поддерживая высокий уровень безопасности всей сети.

Нужно ли пользователям Gate учитывать шардирование при совершении транзакций?

Нет. Шардирование — это оптимизация блокчейна, незаметная для конечных пользователей. При переводах или торговле на Gate система автоматически распределяет данные по шардам и координирует межшардовые операции. Шардирование в первую очередь полезно разработчикам для создания быстрых Dapp и увеличения пропускной способности сети.

Почему не все блокчейны используют шардирование?

Хотя шардирование значительно увеличивает пропускную способность, оно серьезно усложняет сеть. Для его реализации требуются надежные протоколы межшардовой коммуникации, согласованная обработка данных между шардами и защита от атак на уровне отдельных шардов. Многие проекты выбирают более простые решения масштабирования, такие как Rollups; Ethereum постепенно внедряет шардирование для максимальной совместимости и безопасности.

Как блокчейн обеспечивает порядок и согласованность транзакций между шардами?

Межшардовые транзакции используют двухфазные подтверждения или асинхронные сообщения для обеспечения согласованности. То есть результаты из шарда A фиксируются, другие шарды (например, шар B) получают эти результаты через beacon chain до выполнения связанных транзакций. Этот процесс немного увеличивает задержки, но гарантирует итоговую согласованность всей сети.