Данкшардинг: как Ethereum решает проблему масштабируемости

Основная проблема: почему Ethereum нуждается в Danksharding

Прежде чем погрузиться в технические детали, важно понять, какую именно проблему решает danksharding. По мере роста популярности Ethereum, перегрузка сети становится постоянной проблемой. Каждый транзакционный вызов должен быть подтвержден тысячами узлов, а выполнение каждого смарт-контракта требует обработки одних и тех же данных всей сетью. Это создает узкое место: чем больше пользователей хочет использовать Ethereum, тем медленнее и дороже становится сеть.

Традиционное масштабирование блокчейна достигает жесткого потолка. В стандартной системе, где все узлы должны подтверждать все транзакции, добавление новых транзакций означает пропорциональное увеличение работы для каждого узла. Именно поэтому разработчики Ethereum работают над решением с шардингом — способом позволить сети выполнять несколько задач параллельно вместо того, чтобы все проходило через один процессинговый канал.

Понимание шардинга: базовая концепция

Шардинг по сути прост: вместо того чтобы каждый узел подтверждал каждую транзакцию, сеть делится на меньшие, параллельно обрабатывающие сегменты. Представьте традиционную сеть Ethereum с 1000 узлами. Сейчас все 1000 узлов должны независимо проверять, обрабатывать и хранить каждую транзакцию. Это безопасно, но невероятно неэффективно.

С шардингом сеть можно разделить на 64 независимых шарда. Каждый шард обрабатывает свою часть транзакций — один может заниматься всеми аккаунтами, начинающимися с ‘A’ до ‘E’, другой — с ‘F’ до ‘J’ и так далее. Каждый шард требует только частичной проверки сети, что значительно увеличивает параллельную пропускную способность. Также выигрывают отдельные узлы: им больше не нужно скачивать и проверять всю блокчейн-цепочку, достаточно их назначенного шарда.

Эта архитектура напрямую объясняет, почему традиционный шардинг был краеугольным камнем в обсуждениях масштабируемости блокчейна. Прирост пропускной способности существенен: вместо последовательной обработки транзакций сеть может выполнять множество транзакций одновременно по шардам.

Danksharding: за пределами традиционного шардинга

Что же отличает danksharding от этих классических концепций шардинга? Инновация заключается в архитектуре, названной в честь исследователя Ethereum Dankrad Feist.

Ключевое отличие — в том, как работают предложение блоков и закрепление данных. Традиционные подходы требуют нескольких предложителей блоков — по одному на шард или более сложной системы с несколькими предложителями. Это усложняет координацию и создает потенциальные угрозы безопасности. Danksharding значительно упрощает это, используя одного предложителя блока для всей сети.

Этот упрощенный подход означает:

• Объединенная обработка транзакций: все данные проходят через одного предложителя, что снижает поверхность атаки и накладные расходы на координацию
• Объединенный рынок комиссий: все транзакции конкурируют в едином рынке комиссий, а не в разрозненных по шардам, что улучшает ценообразование
• Транзакции с переносом Blob: danksharding вводит новый тип транзакций, специально предназначенных для переноса blob-данных — временного, более дешевого хранения данных Layer 2, которые не нужно хранить постоянно

Элегантность архитектуры danksharding делает его краеугольным камнем текущей стратегии масштабируемости Ethereum. Вместо того чтобы добавлять шардинг к существующим системам, danksharding перестраивает фундамент специально под эту задачу.

Proto-Danksharding: мостовая технология

Перед полноценным внедрением danksharding Ethereum реализует proto-danksharding — по сути, прототип, который обеспечивает немедленное облегчение без полного архитектурного переустройства.

Proto-danksharding, введенный через EIP-4844 в рамках обновления Ethereum Cancun, позволяет rollup-системам включать blob-данные в блоки по значительно сниженной стоимости. Вот как он сравнивается с полной реализацией:

Возможности Proto-Danksharding:

• Снижает стоимость данных для Layer 2 rollup примерно в 100-1000 раз по сравнению с текущими ценами на calldata
• Ожидается, что позволит обрабатывать 100-10 000 транзакций в секунду на системах rollup
• Обеспечивает временное хранение данных (blob-ы не сохраняются постоянно)
• Может быть реализован без кардинальных изменений протокола

Цели полного danksharding:

• Обеспечить более 100 000 транзакций в секунду по всей экосистеме Ethereum
• Предоставить выделенное пространство шарда для данных Layer 2
• Требовать нескольких обновлений протокола, помимо EIP-4844
• Ввести истинную параллельную обработку данных по 64 шардкам

Proto-danksharding служит важным промежуточным этапом, обеспечивая краткосрочные улучшения масштабируемости, пока полная архитектура разрабатывается и тестируется.

Техническая архитектура: 64 шарда в Ethereum 2.0

В реализации Ethereum 2.0 сеть будет разделена ровно на 64 шарда, каждый из которых функционирует как независочная цепочка, способная обрабатывать транзакции и смарт-контракты. Эти шарды не работают изолированно — они постоянно взаимодействуют с Beacon Chain, координационной цепочкой Ethereum на основе Proof of Stake.

Beacon Chain управляет валидаторами по всем шардам, случайным образом назначает их в комитеты для подтверждения и обеспечивает соблюдение одних и тех же правил консенсуса. Валидаторы ставят ETH для участия и получают награды за честное поведение. Эта гибридная архитектура сочетает параллельную эффективность шардинга с гарантиями безопасности согласованного консенсуса.

Каждый шард хранит свое состояние и историю транзакций. Межшардовая коммуникация усложняет систему — транзакции, затрагивающие данные на нескольких шардах, требуют особой обработки. Однако разработчики Ethereum спроектировали систему так, чтобы большинство пользовательских приложений могли полностью работать внутри одного шарда, минимизируя необходимость межшардовых взаимодействий.

Влияние на производительность: от теории к цифрам

Потенциал улучшений от danksharding впечатляет:

Пропускная способность транзакций:

• Текущий Ethereum: около 15 транзакций в секунду
• Этап proto-danksharding: 100-10 000 транзакций в секунду (в основном для Layer 2 rollup)
• Полный danksharding: более 100 000 транзакций в секунду

Требования к оборудованию:

• Сегодня: запуск узла требует скачивания и проверки около 1 ТБ данных
• С шардингом: узлы смогут синхронизироваться, скачивая только 1/64 части данных шарда (примерно 15-20 ГБ), что делает участие гораздо более доступным

Финализация и задержки:

• Блоки шарда могут финализироваться независимо, что позволяет приложениям быстрее подтверждать транзакции
• Межшардовые транзакции всё еще требуют дополнительной координации

Вопросы безопасности: сохранение защиты Ethereum

Внедрение шардинга не устраняет угрозы безопасности — оно их трансформирует. Основные риски включают:

Атаки 51%: Традиционные блокчейны опасаются, что злоумышленники смогут контролировать 51% хешрейта. В шардинге меньший процент валидаторов может потенциально атаковать один шард, если он недостаточно защищен. Ethereum решает это с помощью рандомизации валидаторов и криптографического отбора — комитеты назначаются случайным образом с использованием трудно предсказуемых источников случайности.

Сложность и баги: Более сложные системы создают больше точек для ошибок. Ethereum подходит к этому аккуратно — через тщательное проектирование протокола, обширное тестирование и постепенное внедрение.

Задержки межшардовой коммуникации: Транзакции, требующие данных с нескольких шардов, сталкиваются с задержками. Протокол минимизирует такие сценарии, чтобы большинство пользовательских операций оставались внутри одного шарда.

Дизайн сохраняет гарантии безопасности Ethereum, распределяя работу по проверке между параллельными шардами.

Смарт-контракты и опыт разработчиков

Как danksharding повлияет на смарт-контракты? Теоретически, контракт может вызвать другой контракт на другом шарде, но на практике это будет медленно и дорого. Разработчики, скорее всего, будут проектировать контракты так, чтобы держать их состояние внутри одного шарда, когда это возможно.

Для большинства приложений — DEX, кредитных протоколов, NFT-маркетплейсов — все состояние может находиться на одном шарде. Межшардовые сценарии в основном возникнут на границах архитектуры, управляемые специализированными мостовыми контрактами или решениями Layer 2.

Разработчики Ethereum активно работают над инструментами, чтобы сделать это прозрачным для приложений, так что сложность danksharding останется скрытой на уровне протокола, а не повлияет на опыт разработчиков.

Дорожная карта Ethereum 2.0: место danksharding

Путь обновлений Ethereum менялся со временем. Мердж (сентябрь 2022) перешел к консенсусу Proof of Stake. Последующие обновления, такие как Shanghai, оптимизировали стейкинг. Обновление Cancun представило proto-danksharding через EIP-4844.

Полный danksharding — следующий крупный этап, завершение изначальной концепции Ethereum 2.0 по объединению Proof of Stake с шардингом данных. После danksharding будущие обновления, скорее всего, сосредоточатся на:

• Verkle-деревьях для уменьшения размера состояния
• Statelessness — упрощении реализации клиентов
• Передовой криптографии для дальнейшей оптимизации

Дорожная карта предполагает прагматичный подход: постепенное внедрение (прото-danksharding), одновременно разрабатывая полное решение.

Почему Proof of Stake был необходим для шардинга

Ключевое условие для danksharding — переход на Proof of Stake. В системах Proof of Work, таких как Bitcoin, майнеры соревнуются за право предложить блок через вычислительные задачи. Это усложняет координацию сложных схем шардинга.

С Proof of Stake валидаторы выбираются с помощью криптографического отбора, а не вычислительного соревнования. Это позволяет:

• Предсказуемое назначение валидаторов: протокол может детерминированно назначать валидаторов в шарды
• Механизмы штрафов: валидаторы могут быть (сняты) за неправильное поведение, что создает сильные стимулы к честной работе
• Энергоэффективность: PoS требует значительно меньше энергии, чем PoW, что увеличивает участие

Переход на Proof of Stake был необходимым условием, а не отдельной проблемой. Danksharding всегда планировался как дополнение к базе Ethereum на основе PoS.

Децентрализация сети: удивительная польза шардинга

Распространенное опасение — не ухудшит ли шардинг децентрализацию. Наоборот: снижение требований к оборудованию узлов фактически повышает децентрализацию.

При полном шардинге узлу достаточно хранить и подтверждать только 1/64 данных блокчейна. Это означает, что можно:

• Запускать полноценные узлы на обычных ПК (вместо специализированного оборудования)
• Снизить барьеры для глобального участия (особенно в регионах с ограниченной пропускной способностью)
• Сделать так, чтобы набор валидаторов оставался большим и географически распределенным

Ethereum специально проектировал шардинг так, чтобы он сохранял или улучшал децентрализацию по мере масштабирования.

Интеграция Layer 2: ближайший получатель выгоды

Хотя полное видение danksharding ориентировано на Ethereum напрямую, наиболее немедленная выгода — у систем Layer 2, таких как Arbitrum, Optimism и Polygon.

Layer 2 сейчас сталкиваются с одной узкой точкой — публикацией данных транзакций в Ethereum для безопасности. Proto-danksharding значительно снижает стоимость этой публикации за счет blob-данных, уменьшая цены с нескольких долларов до долей цента за транзакцию. Это напрямую снижает комиссии для конечных пользователей.

Полный danksharding дополнительно оптимизирует этот процесс, в конечном итоге позволяя Layer 2 публиковать данные в выделенном пространстве шарда, специально предназначенном для этого, а не конкурировать за место в блоке с другими транзакциями.

Таймлайн и статус разработки

На текущий момент:

• Proto-danksharding (EIP-4844): уже реализован в обновлении Ethereum Cancun
• Полный danksharding: находится в активной разработке, детали внедрения уточняются
• Ожидаемый срок: несколько лет, тестирование вероятно начнется в 2024–2025 годах

Точная дата внедрения зависит от прогресса разработки и возможности тщательного тестирования. Ethereum делает ставку на правильность — лучше медленно внедрять, чем торопиться с ошибками.

Итог: решение проблемы масштабируемости Ethereum

Danksharding — это фундаментальное переосмысление способов масштабирования блокчейнов. Вместо того чтобы пытаться пропускать больше транзакций через один узкий канал, он распределяет их по параллельным путям, сохраняя при этом гарантии безопасности.

Путь от текущего Ethereum с одним цепочкой до полностью шардинговой системы — от proto-danksharding (уже в работе) до полного внедрения (в будущем). Такой поэтапный подход позволяет Ethereum постепенно внедрять улучшения, одновременно разрабатывая полное решение.

Для пользователей danksharding означает меньшие комиссии и более быструю обработку транзакций. Для разработчиков — новые возможности для приложений, ранее экономически невозможных. Для индустрии блокчейна — практический путь к достижению значимого масштабирования без ущерба для безопасности и децентрализации.

Внедрение danksharding в Ethereum 2.0 — это яркое подтверждение приверженности сети решению реальных проблем при сохранении своих ценностей. Это техническое достижение, которое меняет представление о возможностях блокчейн-приложений.