شاردینگ در بلاکچین؛ راهکار نوین برای سرعت و مقیاس‌پذیری
شاردینگ در بلاکچین چیست؟ راهکار نوین افزایش مقیاس‌پذیری و سرعت تراکنش‌های رمزارزی
آشنایی با شاردینگ در بلاکچین، فناوری نوین افزایش مقیاس‌پذیری، سرعت تراکنش و بهبود کارایی شبکه‌های رمزارزی در مقابل محدودیت‌های فعلی.
شاردینگ (Sharding) روشی است که در آن پایگاه داده یا دفتر کل بزرگ به بخش‌های کوچکتر، به نام شارد، تقسیم می‌شود. هدف اصلی این تکنیک افزایش مقیاس‌پذیری شبکه و بهبود سرعت تراکنش‌ها است. به زبان ساده، شاردینگ در حوزه رمزارز به فرآیند تقسیم بلاکچین به بخش‌های کوچکتر و قابل مدیریت‌تر اشاره دارد که این امر می‌تواند به کاهش زمان تایید تراکنش‌ها و ارتقای عملکرد شبکه کمک کند.
تعریف تقسیم‌بندی داده‌ها
در حوزه رمزارز، شاردینگ (Sharding) به روشی نوین برای ارتقاء مقیاس‌پذیری و کارایی شبکه‌های بلاکچین اشاره دارد. این تکنیک با تقسیم زنجیره بلوکی به بخش‌های کوچکتر و مستقل، امکان مدیریت بهتر و سریع‌تر تراکنش‌ها را فراهم می‌کند.
در این روش، زنجیره بلوکی به عنوان یک دفتر کل بزرگ تصور می‌شود که تمامی سوابق تراکنش‌ها در آن ثبت شده است. با شاردینگ، این دفتر به قطعات کوچکتر، به نام شارد (shard)، تقسیم می‌شود. هر شارد، یک دفترچه کوچک است که بخشی از تاریخچه تراکنش‌ها، موجودی حساب‌ها و قراردادهای هوشمند را در بر می‌گیرد.
این تقسیم‌بندی باعث می‌شود شبکه بلاکچین بتواند تراکنش‌ها را به صورت همزمان و موازی پردازش کند. در نتیجه، ظرفیت کلی شبکه افزایش یافته و زمان تایید تراکنش‌ها کاهش می‌یابد، که این امر به بهبود سرعت و کارایی شبکه‌های رمزارزی کمک می‌کند.
نحوه عملکرد شاردینگ در سیستم‌های داده‌ای
درک مفهوم شاردینگ در رمزارزها با مثالی ساده قابل فهم است؛ تصور کنید کتابخانه‌ای بزرگ که تنها یک کتابدار مسئول پاسخگویی به تمامی درخواست‌ها و تراکنش‌ها است. در این حالت، روند انجام امور زمان‌بر و محدود می‌شود. اما اگر این کتابخانه به چند بخش تقسیم شود و هر بخش یک کتابدار مجزا داشته باشد، کاربران می‌توانند مستقیماً به کتابدار مربوط به بخش مورد نظر مراجعه کنند، بدون نیاز به انتظار برای کتابدار اصلی. این روش سرعت انجام امور را افزایش داده و امکان همزمانی فعالیت‌های متعدد را فراهم می‌کند.
در بلاکچین نیز این مفهوم به همین صورت است. به جای یک پایگاه داده متمرکز و واحد، شبکه بلاکچین به بخش‌های کوچکتری تقسیم می‌شود که هر کدام قادر به پردازش تراکنش‌ها به صورت مستقل هستند. این توزیع وظایف، ظرفیت شبکه را برای ثبت تعداد بیشتری تراکنش در همان زمان افزایش می‌دهد و در نتیجه، شبکه مقیاس‌پذیرتر و کارآمدتر می‌شود.
تقسیم‌بندی افقی در پایگاه‌های داده
در حوزه رمزارز و فناوری‌های مرتبط، مفهوم شاردینگ (sharding) به نوعی تقسیم‌بندی افقی داده‌ها اشاره دارد که بر خلاف تقسیم‌بندی عمودی، در آن هر بخش یا شارد حاوی داده‌های خاص و منحصر به فرد است که تنها از طریق همان شارد قابل دسترسی است. در این روش، هر شارد بخشی از داده‌ها را در بر دارد که ممکن است در دیگر شاردها نیز وجود داشته باشد، اما برای دسترسی به داده‌های مورد نیاز باید به شارد مربوطه مراجعه کرد.
استفاده از شاردینگ در معماری پایگاه‌های داده به منظور بهبود کارایی و سرعت جست‌وجو طراحی شده است. این تکنیک با کاهش حجم شاخص‌ها، امکان نتایج سریع‌تر را فراهم می‌کند و به‌خصوص در سیستم‌های بلاکچین و لجرهای توزیع‌شده، نقش مهمی در افزایش مقیاس‌پذیری ایفا می‌کند.
علاوه بر این، از آنجا که هر شارد می‌تواند بر روی سرورهای جداگانه قرار گیرد، شاردینگ برای شرکت‌های بزرگ و چندملیتی با حجم بالای داده، که نیازمند نگهداری جداگانه اطلاعات در مکان‌های مختلف هستند، بسیار مفید است. این رویکرد به شرکت‌ها اجازه می‌دهد داده‌های خود را به صورت مؤثر و امن مدیریت کنند و در نتیجه عملکرد سیستم‌های توزیع‌شده را بهبود ببخشند.
توزیع داده‌ها در سامانه‌های دفترکل توزیع‌شده
در پی نگرانی‌های فزاینده درباره محدودیت‌های مقیاس‌پذیری بلاکچین، فناوری شاردینگ (Sharding) در جامعه رمزارزها به طور چشمگیری مورد توجه قرار گرفته است. شبکه بیت‌کوین در حال حاضر قادر است حدود هفت تراکنش در ثانیه را پردازش کند، در حالی که اتریوم با کمی تفاوت، تنها حدود ۱۳ تراکنش در ثانیه را انجام می‌دهد. این میزان بسیار پایین‌تر از توانایی پردازش تراکنش‌های پردازنده‌های پرداخت بزرگ مانند ویزا و مسترکارت است.
در حالی که جامعه بیت‌کوین راهکارهای مختلفی برای رفع مشکلات مقیاس‌پذیری ارائه داده است، پروژه اتریوم رویکردی متمرکز و کارآمدتر برای حل این چالش‌ها اتخاذ کرده است. این پروژه با تغییر به الگوریتم اثبات سهام (PoS) و همزمان با طراحی بانک اطلاعاتی شارد شده، در مسیر بهبود کارایی و سرعت شبکه قرار گرفته است.
نمونه‌های تقسیم‌بندی داده‌ها
شاردینگ (Sharding) در پروژه‌های مختلف بلاکچین با موفقیت پیاده‌سازی شده است. در این زمینه، چند نمونه بارز و مهم در ادامه بررسی می‌شود.
Zilliqa، پلتفرم بلاکچین مقیاس‌پذیر و امن
زیلیکا (Zilliqa) یک بستر بلاکچین است که به طور خاص بر پایه فناوری sharding توسعه یافته است. این پلتفرم از روش «شبکه‌شانی» (network sharding) بهره می‌برد، که در آن شبکه به چندین گروه کوچکتر از نودها تقسیم می‌شود. هر shard به عنوان یک بلاکچین کوچک و مستقل عمل می‌کند و قادر است تراکنش‌ها و قراردادهای هوشمند خود را پردازش کند. این رویکرد باعث افزایش قابل توجه در نرخ تراکنش‌ها و بهبود مقیاس‌پذیری شبکه می‌شود.
زلیکا (Zilliqa) برای حفظ هم‌گرایی در بین شاخه‌های مختلف زنجیره، از مکانیزم اجماع به نام PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance) بهره می‌برد. در این فرآیند، گروه کوچکی از نودها به نام کمیته DS (دیسپچری سیستم) مسئول تایید تراکنش‌ها و تضمین اجماع در هر شاخه هستند. اعضای این کمیته به صورت دینامیک و بر اساس ترکیبی از مکانیزم‌های اثبات کار (PoW) و اثبات سهام (PoS) انتخاب می‌شوند.
برای جلوگیری از آسیب‌پذیری‌های امنیتی، زلیکا ارتباطات بین شاخه‌ها را نیز تسهیل کرده است. در تراکنش‌هایی که شامل چندین شاخه می‌شود، اطلاعات به بخش‌های کوچکتر تقسیم و همزمان در شاخه‌های مرتبط پردازش می‌گردد. این رویکرد، علاوه بر افزایش کارایی، به حفظ سازگاری وضعیت زنجیره در تمامی شاخه‌ها کمک می‌کند.
هماهنگی در ساختار و محتوا
هارمونی (Harmony) یکی از پلتفرم‌های بلاکچین است که از فناوری شاردینگ برای افزایش مقیاس‌پذیری و توان عملیاتی شبکه بهره می‌برد. این شبکه از روشی به نام «شاردینگ استیت» استفاده می‌کند، در آن کل شبکه به بخش‌هایی کوچکتر تقسیم می‌شود که هر بخش، مجموعه‌ای از موجودی حساب‌ها و قراردادهای هوشمند خود را نگهداری می‌کند.
برای تضمین اجماع و امنیت در سراسر شاردها، هارمونی از پروتکل اجماع به نام «اثبات سهام موثر» (EPoS) بهره می‌برد. این پروتکل بر اساس کمیته‌ای از تأییدکنندگان (validatorها) است که به طور تصادفی به هر شارد اختصاص می‌یابند. این تأییدکنندگان، بلوک‌ها را پیشنهاد و تایید می‌کنند و بدین ترتیب، توافق در مورد ترتیب تراکنش‌ها حفظ می‌شود و از دوباره‌صرفه‌جویی در تراکنش‌ها جلوگیری می‌شود.
علاوه بر این، هارمونی با فناوری «کراس‌لینکینگ» یا پیوندهای متقاطع، مکانیزم شاردینگ خود را تقویت می‌کند. در این فرآیند، به طور دوره‌ای نقاط چک‌پوینتی ایجاد می‌شود که شاردها را به هم متصل می‌سازد و در زنجیره اصلی ذخیره می‌کند. هدف این کار حفظ یکپارچگی و هم‌سویی کل بلاکچین است، زیرا این کراس‌لینک‌ها به عنوان مرجع‌هایی برای وضعیت هر شارد عمل می‌کنند.
همچنین، هارمونی از قابلیت «تحمل خطای بایستین» سریع (FBFT) در هر شارد بهره می‌برد. این فناوری امکان رسیدن به اجماع سریع و کارآمد درون هر شارد را فراهم می‌کند، با کاهش تعداد پیام‌های مورد نیاز برای تایید اعتبارسنج‌ها.
پروژه کوآرک‌چین؛ فناوری بلاکچین مقیاس‌پذیر و سریع
پروژه کوآرک‌چین (QuarkChain) یک بلاکچین نوآورانه است که هدف اصلی آن رسیدن به بیش از ۱۰۰ هزار TPS (تراکنش در ثانیه) است. این شبکه از فناوری تقسیم شبکه به چندین شاخه (شارد) بهره می‌برد که هر کدام به صورت مستقل قادر به پردازش تراکنش‌ها هستند.
در ساختار این شبکه، شاخه‌ها در قالب یک ساختار دو لایه سازماندهی شده‌اند؛ لایه اول، زنجیره ریشه (Root Chain) است که نقش اصلی آن رسیدن به اجماع درباره وضعیت کلی شبکه است. در حالی‌که هر شارد، تراکنش‌های مربوط به خود را در قالب زنجیره‌های جداگانه پردازش می‌کند، و این امر امکان مقیاس‌پذیری بالا و کاهش فشار بر شبکه اصلی را فراهم می‌آورد.
چگونه فرآیند شاردینگ در اتریوم اجرا می‌شود؟
شبکه اتریوم در حال بررسی فناوری شاردینگ به عنوان راه‌حلی برای رفع محدودیت‌های مقیاس‌پذیری است. در این راستا، پیشنهاد بهبود اتریوم ۴۸۴۴ (EIP-4844) با عنوان «پروتو-دانک‌شاردینگ» معرفی شد که قرار است حدود سال ۲۰۲۳ در شبکه پیاده‌سازی شود. هدف از این به‌روزرسانی، کاهش هزینه تراکنش‌ها در لایه ۲ و افزایش توان عملیاتی اتریوم به بیش از صد هزار تراکنش در ثانیه است. این اقدام می‌تواند نقش مهمی در بهبود سرعت و کارایی شبکه ایفا کند و امکان توسعه پروژه‌های دیفای و NFT را در فضای اتریوم تقویت کند.
پروتودانک‌شاردینگ (Proto-Danksharding) که توسط محققان پروتولامب (Protolambda) و دانک‌راد فایست (Dankrad Feist) پیشنهاد شده است، هدف اصلی آن بهبود مقیاس‌پذیری راه‌حل‌های لوراپ (rollups) در شبکه اتریوم است. در حال حاضر، محدودیت‌هایی در کاهش هزینه تراکنش‌ها با استفاده از لوراپ‌ها وجود دارد؛ این فناوری تراکنش‌ها را خارج از زنجیره اصلی گروه‌بندی و در کال‌داتا (calldata) ثبت می‌کند، اما این داده‌ها در تمامی نودهای اتریوم پردازش و دائماً در زنجیره ذخیره می‌شوند.
پروتودانک‌شاردینگ قصد دارد این مشکل را با بهره‌گیری از بلاک‌های داده‌ای (blobs) حل کند که می‌توانند به بلوک‌ها اضافه شوند و حاوی داده‌هایی باشند که در دسترس ماشین مجازی اتریوم (EVM) نیستند و پس از مدت زمان مشخص (1 تا 3 ماه) به صورت خودکار حذف می‌شوند. این فناوری امکان ارسال داده‌های لوراپ‌ها با هزینه بسیار پایین‌تر را فراهم می‌کند و در نتیجه تراکنش‌های ارزان‌تری را برای کاربران نهایی ممکن می‌سازد.
این نوع از پروتودانک‌شاردینگ، برخلاف مفهوم سنتی شاردینگ که زنجیره را به بخش‌های جداگانه تقسیم می‌کند، از نمونه‌برداری توزیع‌شده داده‌ها در بلاب‌ها بهره می‌برد و به آن «دیتاشاردینگ» (data-sharding) نیز گفته می‌شود. هدف نهایی این فناوری، فراهم کردن فضای کافی در شبکه اتریوم برای ذخیره‌سازی داده‌های فشرده تراکنش‌های لوراپ است، که می‌تواند راه را برای پشتیبانی از میلیون‌ها تراکنش در ثانیه هموار سازد.
در مسیر توسعه، اتریوم قصد دارد با انتقال از پروتودانک‌شاردینگ به دانک‌شاردینگ کامل، تعداد بلاب‌های متصل به هر بلوک را از یک به ۶۴ افزایش دهد. همچنین، به‌روزرسانی‌هایی برای کلاینت‌های اجماع در نظر گرفته شده است تا بتوانند این بلاب‌های بزرگ‌تر را مدیریت کنند. برخی از این تغییرات هم‌اکنون در نقشه راه اتریوم قرار دارند.
در حالی که اجرای کامل دانک‌شاردینگ چند سال دیگر زمان می‌برد، انتظار می‌رود پروتودانک‌شاردینگ در نیمه دوم سال ۲۰۲۳ به صورت نسبی عملیاتی شود. این فناوری می‌تواند گامی مهم در جهت افزایش توان شبکه اتریوم و کاهش هزینه‌های تراکنش باشد.
منبع: کریپتو.نیوز
