Данкшардинг: Як Ethereum вирішує свою проблему масштабованості

Основна проблема: чому Ethereum потребує Danksharding

Перш ніж зануритися у технічні деталі, важливо зрозуміти, яку саме проблему вирішує danksharding. З поширенням Ethereum мережа стикається з постійною проблемою перевантаження. Кожна транзакція має бути підтверджена тисячами вузлів, а виконання кожного смарт-контракту вимагає обробки однакових даних усією мережею. Це створює вузьке місце: чим більше користувачів хочуть використовувати Ethereum, тим повільніше і дорожче стає його використання.

Традиційне масштабування блокчейну досягає жорсткого plafону. У стандартній системі, де всі вузли мають підтверджувати всі транзакції, додавання більшої кількості транзакцій означає пропорційне збільшення роботи для кожного вузла. Саме тому розробники Ethereum працюють над рішенням шарінгу — способом дозволити мережі виконувати кілька операцій паралельно, замість того щоб все проходило через один оброблювальний канал.

Розуміння шарінгу: базова концепція

Шарінг за своєю суттю досить простий: замість того щоб кожен вузол підтверджував кожну транзакцію, мережу ділять на менші, паралельно оброблювані сегменти. Уявіть собі традиційну мережу Ethereum із 1000 вузлами. Зараз усі 1000 вузлів мають незалежно перевіряти, обробляти і зберігати кожну транзакцію. Це безпечно, але надзвичайно неефективно.

З шарінгом мережу можна поділити на 64 незалежні шари. Кожен шар обробля свою частину транзакцій — один може обробляти всі акаунти, що починаються з ‘A’ до ‘E’, інший — з ‘F’ до ‘J’ і так далі. Кожен шар потребує лише часткового підтвердження мережі, що значно підвищує паралельну пропускну здатність. Також виграють окремі вузли: їм більше не потрібно завантажувати і перевіряти всю блокчейн-ланцюг, а лише свій призначений шар.

Ця архітектура безпосередньо відповідає на питання, чому традиційний шарінг був ключовим у дискусіях про масштабованість блокчейну. Продуктивність зростає суттєво: замість послідовної обробки транзакцій мережа може виконувати багато транзакцій одночасно у різних шарах.

Danksharding: понад традиційний шарінг

Що ж робить danksharding відмінним від цих традиційних концепцій шарінгу? Інновація полягає у його архітектурному дизайні, названому на честь дослідника Ethereum Dankrad Feist.

Ключова різниця — у тому, як працює пропозиція блоків і зобов’язання даних. Традиційні підходи до шарінгу вимагають кілька пропонувальників блоків — по одному на кожен шар або більш складну систему з кількома пропонувальниками. Це ускладнює координацію і може створювати проблеми безпеки. Danksharding значно спрощує цю систему, використовуючи одного пропонувальника для всієї мережі.

Цей спрощений підхід означає:

• Об’єднаний обробіток транзакцій: замість координації між окремими пропонувальниками, усі дані проходять через одного, зменшуючи ризики атак і накладні витрати
• Об’єднаний ринок зборів: усі транзакції конкурують у єдиному ринку зборів, а не у фрагментованих ринках по шарах, що покращує цінове відкриття
• Blob-перевезені транзакції: Danksharding вводить новий тип транзакцій, спеціально створений для перенесення blob-даних — тимчасового, дешевшого сховища для даних Layer 2 rollup, які не потрібно зберігати постійно

Елегантність архітектури danksharding робить її основою сучасної стратегії масштабування Ethereum. Замість додавання шарінгу до існуючих систем, danksharding фактично перебудовує фундамент під цю задачу.

Proto-Danksharding: міст між технологіями

Перед повним впровадженням danksharding Ethereum реалізує proto-danksharding — прототип, що забезпечує негайне полегшення без повної перебудови архітектури.

Proto-danksharding, впроваджений через EIP-4844 під час оновлення Ethereum Cancun, дозволяє rollup-ам включати blob-дані у блоки за значно зменшеними витратами. Ось порівняння з повною реалізацією:

Можливості Proto-Danksharding:

• Зменшує вартість даних для Layer 2 rollup-ів у 100-1000 разів порівняно з поточними цінами calldata
• Очікується, що дозволить обробляти 100-10 000 транзакцій на секунду у системах rollup
• Забезпечує тимчасове зберігання даних (blob-ів, які не зберігаються постійно)
• Може бути реалізовано без значних змін у протоколі

Мети повного danksharding:

• Орієнтовані на понад 100 000 транзакцій на секунду по всій екосистемі Ethereum
• Забезпечують спеціальний простір для зберігання даних Layer 2
• Вимагають кілька оновлень протоколу понад EIP-4844
• Вводять справжню паралельну обробку даних по 64 шарах

Proto-danksharding — важливий крок, що дає короткострокове покращення масштабованості, поки повна архітектура розробляється і тестується.

Технічна архітектура: 64 шари в Ethereum 2.0

У реалізації Ethereum 2.0 мережа буде розділена точно на 64 шари, кожен з яких функціонує як незалежна ланцюгова система, здатна обробляти транзакції і смарт-контракти. Ці шари не працюють ізольовано — вони постійно спілкуються з Beacon Chain, координуючим шаром Ethereum на основі Proof of Stake.

Beacon Chain координує валідаторів по всіх шарах, випадковим чином призначає їх до комітетів для підтвердження і забезпечує дотримання однакових правил консенсусу. Валідатори ставлять ETH для участі і отримують нагороди за чесну поведінку. Ця гібридна архітектура поєднує паралельну ефективність шарінгу з гарантіями безпеки узгодженого консенсусу.

Кожен шар зберігає свою власну стан і історію транзакцій. Міжшаровий обмін даними ускладнює процес — транзакції, що впливають на дані кількох шарів, потребують особливого оброблення. Однак розробники Ethereum спроектували систему так, щоб більшість користувацьких додатків могли працювати цілком у межах одного шару, мінімізуючи потребу у міжшаровій комунікації.

Вплив на продуктивність: від теорії до цифр

Переваги danksharding у продуктивності значні:

Пропускна здатність транзакцій:

• Поточний Ethereum: ~15 транзакцій на секунду
• Етап proto-danksharding: 100-10 000 транзакцій на секунду (переважно для Layer 2 rollup-ів)
• Повний danksharding: потенціал понад 100 000 транзакцій на секунду

Вимоги до обладнання:

• Сьогодні: запуск вузла вимагає завантаження і підтвердження ~1 ТБ даних
• З шарінгом: вузли можуть синхронізуватися лише з 1/64 частиною даних шару (~15-20 ГБ), що робить участь набагато доступнішою

Фіналізація і затримки:

• Блоки шарів підтверджуються незалежно, що дозволяє швидше підтверджувати транзакції
• Транзакції між шарами все ще потребують додаткової координації

Безпека: збереження захисту Ethereum

Впровадження шарінгу не усуває проблем безпеки — воно їх трансформує. Основні ризики включають:

Атаки 51%: Традиційно блокчейни бояться контролю 51% хешрейту. З шарінгом менша кількість валідаторів може потенційно атакувати один шар, якщо той не захищений належним чином. Ethereum вирішує це через випадкове призначення валідаторів і криптографічне відбір — комітети випадковим чином призначаються до шарів за допомогою важко передбачуваної випадковості.

Складність і баги: Більш складні системи мають більше шансів на помилки. Ethereum підходить до цього обережно — через ретельне проектування протоколу, тестування і поступове впровадження.

Затримки міжшарових транзакцій: Транзакції, що вимагають даних із кількох шарів, мають затримки. Проте протокол мінімізує такі випадки, зберігаючи більшість активностей у межах одного шару.

Дизайн зберігає гарантії безпеки Ethereum, розподіляючи роботу підтвердження між паралельними шарами.

Смарт-контракти і досвід розробників

Як danksharding вплине на смарт-контракти? Теоретично, контракт може викликати інший контракт у іншому шарі, але на практиці це буде повільно і дорого. Розробники, ймовірно, проектуватимуть контракти так, щоб вони залишалися у межах одного шару.

Для більшості додатків — DEX, кредитних протоколів, NFT-маркетплейсів — весь стан може зберігатися у одному шарі. Міжшарові сценарії здебільшого виникатимуть на архітектурних межах, оброблятимуться спеціалізованими мостовими контрактами або Layer 2 рішеннями.

Розробники Ethereum активно працюють над інструментами, щоб зробити це прозорим для додатків, тож складність danksharding залишиться прихованою на рівні протоколу і не вплине на досвід розробників.

Дорожня карта Ethereum 2.0: де місце Danksharding

Шлях оновлень Ethereum змінювався з часом. Перехід (вересень 2022) на Proof of Stake (The Merge) — це перехід до консенсусу Proof of Stake. Наступні оновлення, як Shanghai, оптимізували стейкінг. Оновлення Cancun впровадило proto-danksharding через EIP-4844.

Повний danksharding — наступна велика віхта, завершення початкової ідеї Ethereum 2.0 — поєднання Proof of Stake із шарінгом даних. Після danksharding майбутні оновлення зосереджуватимуться на:

• Verkle trees для зменшення розміру стану
• Безстанковості (statelessness) для спрощення клієнтської реалізації
• Передовій криптографії для подальшої оптимізації

Дорожня карта — прагматичний підхід: поступове впровадження (прото-danksharding) і розробка повної системи одночасно.

Чому Proof of Stake був необхідний для шарінгу

Важливий передумова для danksharding — перехід на Proof of Stake. У системах Proof of Work, таких як Bitcoin, майнери змагаються за право пропонувати блок через обчислювальну роботу. Це ускладнює координацію складних схем шарінгу.

З Proof of Stake валідатори обираються криптографічним відбором, а не через обчислювальні змагання. Це дозволяє:

• Передбачуване призначення валідаторів: протокол може детерміновано призначати валідаторів до шарів
• Механізми штрафів: валідатори можуть бути (зрізані) за неправильну поведінку, що створює сильні стимули до чесної участі
• Енергоефективність: PoS споживає набагато менше енергії, ніж PoW, що дозволяє залучати більше учасників

Перехід на Proof of Stake був необхідним, а не додатковим питанням. Danksharding завжди планувався працювати на базі Ethereum з PoS.

Децентралізація мережі: несподівана перевага шарінгу

Загальна побоювання щодо шарінгу — чи не послаблює він децентралізацію. Насправді — навпаки: зменшення вимог до обладнання для вузлів фактично підвищує децентралізацію.

З повним шарінгом вузол потрібно зберігати і підтверджувати лише 1/64 частину даних блокчейну. Це означає, що можна запускати повні валідатори навіть на:

• Настільних комп’ютерах (замість спеціалізованого обладнання)
• Учасниках з обмеженим інтернет-зв’язком у різних регіонах (зменшення бар’єрів для глобальної участі)
• Залишатися великим і географічно розподіленим набором валідаторів

Ethereum явно проектує шарінг так, щоб зберегти або покращити децентралізацію при масштабуванні.

Інтеграція Layer 2: найбільший вигодонабувач

Хоча повний danksharding безпосередньо адресований Ethereum, найбільший короткостроковий вигодонабувач proto-danksharding — системи Layer 2, такі як Arbitrum, Optimism і Polygon.

Layer 2 наразі стикаються з одним вузьким місцем: публікація даних транзакцій у Ethereum для безпеки. Proto-danksharding значно знижує ціну цієї публікації через blob-дані, зменшуючи вартість з кількох доларів до часток цента за транзакцію. Це безпосередньо знижує комісії для кінцевих користувачів.

Повний danksharding ще більше оптимізує цей процес, з часом дозволяючи Layer 2 публікувати дані у спеціально виділений простір шарів, створений саме для цього, без конкуренції за блокове місце з іншими транзакціями.

Таймлайн і статус розробки

На сьогодні:

• Proto-danksharding (EIP-4844): вже реалізований у оновленні Ethereum Cancun
• Повний danksharding: ще в активній розробці, деталі впровадження уточнюються
• Очікуваний час: кілька років, з тестуванням, ймовірно, у 2024-2025 роках

Точний графік залежить від прогресу розробки і можливості ретельно протестувати зміни. Ethereum цінує правильність і безпеку понад усе — краще впроваджувати повільно, ніж поспішати з недосконалою системою.

Висновок: вирішення проблем масштабованості Ethereum

Danksharding — це фундаментальне переосмислення масштабованості блокчейнів. Замість намагання пропустити більше транзакцій через один вузький канал, він розподіляє обробку транзакцій по паралельних шляхах, зберігаючи при цьому гарантії безпеки.

Шлях від сучасного Ethereum із єдиним ланцюгом до повністю шарованої системи — від proto-danksharding (уже активний) до повної реалізації (у майбутньому). Такий поетапний підхід дозволяє Ethereum поступово впроваджувати покращення, одночасно розробляючи повну систему.

Для користувачів danksharding означає нижчі комісії і швидші транзакції. Для розробників — відкриває можливості для застосунків, які раніше були економічно недосяжними. Для індустрії блокчейну — демонструє практичний шлях до досягнення значущого масштабування без шкоди безпеці або децентралізації.

Впровадження danksharding у Ethereum 2.0 — це яскравий приклад прагнення мережі вирішувати реальні проблеми, зберігаючи свої цінності. Це технічне досягнення, що змінює уявлення про можливості блокчейн-застосунків.