شاردینگ (Sharding) یک روش تقسیم‌بندی پایگاه داده است که در حوزه بلاکچین برای حل مشکل مقیاس‌پذیری به کار می‌رود. این تکنیک، بلاکچین را به بخش‌های کوچک‌تر و قابل مدیریت‌تر به نام شارد (Shard) تقسیم می‌کند. هر شارد قادر است تراکنش‌ها را به صورت مستقل پردازش کند، در نتیجه توان عملیاتی کلی شبکه به شکل چشمگیری افزایش می‌یابد. در این مطلب می‌خواهیم بدانیم شاردینگ چیست و چه مزایایی دارد.
ریشه واژه «Shard»؛ از پایگاه‌داده تا فناوری بلاکچین
واژه «Shard» در اصل از حوزه مدیریت پایگاه‌های داده (Databases) سرچشمه می‌گیرد. در آنجا، به معنای تقسیم یک پایگاه داده بزرگ به قطعات کوچک‌تر و مستقل است که هر کدام روی سرور جداگانه‌ای میزبانی می‌شوند تا عملکرد و مقیاس‌پذیری بهبود یابد. این مفهوم تقسیم‌بندی افقی، بعدها به دنیای فناوری بلاکچین راه یافت تا به بلاکچینهای عظیم کمک کند با پردازش موازی تراکنش‌ها، چالش مقیاس‌پذیری خود را حل کنند.
چرا شاردینگ ضروری شد؟ مروری بر معضل سه‌گانه بلاکچین
شاردینگ به دلیل نیاز مبرم به حل معضل سه‌گانه بلاکچین (امنیت، تمرکززدایی، مقیاس‌پذیری) ضروری شد؛ مقیاس‌پذیری، امنیت و تمرکززدایی. در شبکه‌های بلاکچین اولیه، دستیابی همزمان به هر سه مورد چالش‌برانگیز بود، به طوری که بهبود یکی معمولاً به قیمت فدا کردن دیگری تمام می‌شد. شاردینگ با تقسیم افقی پایگاه داده بار پردازشی شبکه، توان عملیاتی (مقیاس‌پذیری) را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد، در حالی که تلاش می‌کند امنیت و تمرکززدایی را نیز حفظ کند.
شارد چگونه کار می‌کند؟ گام به گام در یک تراکنش
شاردینگ در بلاک چین با تقسیم شبکه بلاکچین به بخش‌های کوچک‌تر و مستقل، مشکل مقیاس‌پذیری شبکه را حل می‌کند. هر شارد شامل زیرمجموعه‌ای از گره‌ها و داده‌ها است و می‌تواند تراکنش‌ها را به صورت موازی با سایر شاردها پردازش کند.
بیایید ببینیم یک تراکنش در یک سیستم شارد شده چگونه پردازش می‌شود:
- انتخاب شارد: کاربر یک تراکنش را آغاز می‌کند. بر اساس آدرس فرستنده/گیرنده، نوع تراکنش یا سایر معیارها، تراکنش به یک شارد خاص اختصاص داده می‌شود.
- پردازش درون شارد: گره‌های موجود در آن شارد خاص، مسئولیت اعتبارسنجی و پردازش تراکنش را بر عهده می‌گیرند. این گره‌ها فقط وضعیت مربوط به شارد خود را ذخیره می‌کنند و نیازی به ذخیره کل بلاکچین ندارند.
- اجماع درون شارد: گره‌های شارد مورد نظر، برای تأیید تراکنش و افزودن آن به بلاک جدید در شارد خود، به یک اجماع می‌رسند. این کار به طور موازی و مستقل از سایر شاردها انجام می‌شود.
- ثبت در زنجیره اصلی/هماهنگی: اطلاعات مربوط به وضعیت جدید شارد (مثلاً ریشه‌های مرکل) به زنجیره اصلی (beacon chain در اتریوم) ارسال می‌شود تا صحت آن تضمین شده و وضعیت کلی شبکه به‌روزرسانی شود. این امکان هماهنگی و امنیت کل شبکه را فراهم می‌کند.
تقسیم افقی (Horizontal Partitioning) در مقابل عمودی
- تقسیم افقی داده (Horizontal Partitioning) / Sharding: این روش به معنای تقسیم داده‌ها به ردیف‌ها یا مجموعه‌هایی از ردیف‌ها است، به طوری که هر شارد زیرمجموعه‌ای از داده‌های کل بلاکچین مثلاً حساب‌ها یا تراکنش‌های خاص را نگهداری می‌کند. این همان مفهوم رایج شاردینگ در بلاکچین است که بار پردازشی را توزیع می‌کند.
- تقسیم عمودی (Vertical Partitioning): این روش به معنای تقسیم یک پایگاه داده بر اساس ستون‌ها یا ویژگی‌ها است. برای مثال، یک بلاکچین می‌تواند به شاردهایی تقسیم شود که هر شارد مسئولیت نوع خاصی از داده مانند داده‌های حساب کاربری یا داده‌های قرارداد هوشمند را بر عهده بگیرد. این مدل کمتر در بلاکچینهای عمومی رایج است زیرا پیچیدگی‌های بیشتری در هماهنگی ایجاد می‌کند.
سازوکار ارتباط میان‌شاردی و پروتکل‌های اجماع
ارتباط میان شاردها و هماهنگی آن‌ها از چالش‌های اصلی شاردینگ است که باید در بحث شاردینگ چیست، مورد بررسی قرار بگیرد:
- ارتباط میان‌شاردی (Inter-Shard Communication): از آنجا که تراکنش‌ها ممکن است نیاز به تعامل با دارایی‌ها یا قراردادهای هوشمند در شاردهای مختلف داشته باشند، مکانیزم‌های ارتباطی پیچیده‌ای مورد نیاز است. این می‌تواند شامل پروتکل‌های ارسال پیام ناهمزمان یا تراکنش‌های دو فاز (two-phase commit) باشد که امنیت و یکپارچگی داده‌ها را در هنگام تعامل بین شاردها تضمین می‌کند.
- پروتکل‌های اجماع: هر شارد می‌تواند پروتکل اجماع داخلی خود را داشته باشد، اما یک پروتکل اجماع سراسری (Global Consensus) برای هماهنگی نهایی بین شاردها و اطمینان از امنیت کلی شبکه ضروری است. این پروتکل تضمین می‌کند که حتی اگر یک شارد مورد حمله قرار گیرد، امنیت کل سیستم به خطر نیفتد.
مزایای شاردینگ در مقایسه با زنجیره‌های یکپارچه
شاردینگ با شکستن موانع مقیاس‌پذیری، مزایای قابل توجهی را نسبت به بلاکچینهای یکپارچه (Monolithic Blockchains) ارائه می‌دهد که آینده شبکه‌های غیرمتمرکز را متحول می‌کند:
جهش توان عملیاتی و کاهش تأخیر
شاردینگ منجر به افزایش چشمگیر توان عملیاتی (Throughput) می‌شود، زیرا تراکنش‌ها به صورت موازی در شاردهای مختلف پردازش می‌شوند، نه به صورت متوالی. این افزایش سرعت، به کاهش قابل ملاحظه تأخیر (Latency) در پردازش و نهایی شدن تراکنش‌ها می‌انجامد و تجربه کاربری را به طور محسوسی بهبود می‌بخشد.
کاهش بار محاسباتی نودها و گسترش تمرکززدایی
با شاردینگ، بار محاسباتی و ذخیره‌سازی برای هر نود (گره) به شدت کاهش می‌یابد، زیرا هر نود تنها مسئول پردازش و ذخیره‌سازی داده‌های مربوط به شارد خود است. این امر امکان مشارکت نودهای بیشتری با سخت‌افزار کمتر را فراهم می‌کند و به گسترش و تقویت تمرکززدایی شبکه کمک شایانی می‌نماید.
چالش‌ها و ریسک‌ها؛ از تصرف شارد تا محدودیت قرارداد هوشمند
با وجود مزایای شاردینگ، پیاده‌سازی آن با چالش‌های قابل توجهی همراه است. تصرف شارد (Shard Takeover)، که در آن یک مهاجم می‌تواند کنترل بخش عمده‌ای از گره‌های یک شارد را به دست گیرد و امنیت آن شارد را به خطر بیندازد، از نگرانی‌های اصلی است. علاوه بر این، محدودیت در تعامل قراردادهای هوشمند بین شاردها پیچیدگی‌های جدیدی را در توسعه dApps ایجاد می‌کند و نیازمند راهکارهای پیچیده‌ای برای ارتباط میان‌شاردی است.
شاردینگ در عمل؛ پروژه‌های پیشرو
شاردینگ از یک مفهوم نظری به یک واقعیت عملی در حال تبدیل شدن است و چندین پروژه بلاکچین پیشرو در حال پیاده‌سازی یا تکمیل راه‌حل‌های شاردینگ خود هستند تا مقیاس‌پذیری را به سطوح جدیدی برسانند. در ادامه بحث شاردینگ چیست به بررسی این موارد می‌پردازیم.
اتریوم 2.0 و ۶۴+۱ شارد آینده
اتریوم 2.0 (Eth2 یا Serenity)، که اکنون به عنوان ارتقاء اتریوم شناخته می‌شود، هدف اصلی‌اش پیاده‌سازی شاردینگ برای افزایش چشمگیر توان عملیاتی شبکه است. این طرح شامل ۶۴ شارد خواهد بود که به موازات یکدیگر تراکنش‌ها را پردازش می‌کنند و یک زنجیره بیکن (Beacon Chain) مرکزی برای هماهنگی و امنیت کلی آن‌ها عمل خواهد کرد.
Zilliqa؛ اولین پیاده‌سازی عمومی موفق
زیلیکا (Zilliqa) به عنوان اولین بلاکچین عمومی شناخته می‌شود که با موفقیت شاردینگ را پیاده‌سازی و عملیاتی کرد. این پروژه با استفاده از شاردینگ شبکه (Network Sharding)، توانست به توان عملیاتی بسیار بالاتری نسبت به بلاکچینهای یکپارچه دست یابد و کاربردهای واقعی را میزبانی کند.
NEAR و مدل شاردینگ پویا
نیر پروتکل (NEAR Protocol) یک بلاکچین لایه ۱ است که از یک مدل شاردینگ منحصر به فرد به نام “Sharding پویا” یا “Nightshade” استفاده می‌کند. این مدل به شاردها اجازه می‌دهد تا به صورت پویا با تغییر بار شبکه مقیاس شوند و ظرفیت خود را افزایش دهند، که انعطاف‌پذیری و کارایی بالایی را ارائه می‌دهد.
Elrond و ترکیب شاردینگ شبکه + حالت
الروند (Elrond)، که اکنون با نام MultiversX شناخته می‌شود، از یک معماری شاردینگ سه‌گانه استفاده می‌کند: شاردینگ شبکه، شاردینگ تراکنش و شاردینگ حالت (State Sharding). این ترکیب به الروند امکان می‌دهد تا به مقیاس‌پذیری بی‌سابقه‌ای دست یابد، با توانایی پردازش هزاران تراکنش در ثانیه.
جایگزین‌های شاردینگ برای مقیاس‌پذیری
در کنار شاردینگ، راهکارهای دیگری نیز برای افزایش مقیاس‌پذیری بلاکچین‌ها توسعه یافته‌اند که هر یک مزایا و معایب خاص خود را دارند. این راهکارها عبارتند از:
راه‌حل‌های لایه دوم (Rollup, Plasma, Channels)
راه‌حل‌های لایه دوم (Layer 2 Solutions)، مانند رولاپ‌ها (Rollup)، پلاسما (Plasma) و کانال‌های پرداخت (Payment Channels)، با پردازش تراکنش‌ها خارج از زنجیره اصلی و ثبت نهایی آن‌ها در لایه یک، به افزایش توان عملیاتی کمک می‌کنند. این راهکارها بار پردازشی را از بلاکچین اصلی می‌کاهند و امکان تراکنش‌های سریع‌تر و ارزان‌تر را فراهم می‌آورند.
افزایش سایز بلاک؛ چرا کفایت نمی‌کند؟
افزایش سایز بلاک به طور مستقیم می‌تواند تعداد تراکنش‌های قابل پردازش در هر بلاک را بالا ببرد، اما این راهکار مقیاس‌پذیری محدودی دارد و با معضل سه‌گانه بلاکچین در تضاد است. بلاک‌های بزرگ‌تر به پهنای باند و قدرت پردازشی بیشتری برای گره‌ها نیاز دارند که منجر به تمرکززدایی کمتر می‌شود؛ زیرا تنها گره‌های قدرتمند قادر به مشارکت خواهند بود.
پرسش‌های متداول درباره Sharding
- شاردینگ چگونه سرعت بلاکچین را افزایش می‌دهد؟ با تقسیم بلاکچین به بخش‌های کوچک‌تر (شاردها)، تراکنش‌ها می‌توانند به صورت موازی پردازش شوند و توان عملیاتی کلی را افزایش دهند.
- آیا شاردینگ امنیت بلاکچین را کاهش می‌دهد؟ پیاده‌سازی شاردینگ نیازمند راهکارهای امنیتی پیچیده مانند بیکن چین برای جلوگیری از حملاتی مانند تصرف شارد و حفظ امنیت کلی شبکه است.
- اتریوم چگونه از شاردینگ استفاده می‌کند؟ اتریوم ۲.۰ از شاردینگ استفاده خواهد کرد تا با تقسیم شبکه به ۶۴ شارد و یک زنجیره بیکن مرکزی، مقیاس‌پذیری خود را افزایش دهد.
جمع‌بندی و چشم‌انداز آینده؛ آیا شاردینگ معمای سه‌گانه را می‌شکند؟
شاردینگ (Sharding) با تقسیم بار پردازشی بلاکچین، پتانسیل عظیمی برای حل معمای سه‌گانه (مقیاس‌پذیری، امنیت، تمرکززدایی) دارد و می‌تواند بلاکچین‌ها را به سمت پذیرش گسترده‌تر سوق دهد. اگرچه چالش‌هایی در پیاده‌سازی و هماهنگی وجود دارد، اما پیشرفت پروژه‌های بزرگی مانند اتریوم نشان می‌دهد که شاردینگ کلید آینده بلاکچینهای مقیاس‌پذیر خواهد بود.
اگر می‌خواهید درباره رولاپ‌ها (Rollup) به عنوان یکی از راه‌حل‌های مکمل مقیاس‌پذیری بیشتر بدانید، این مطلب را ببینید.
