Fragmentação técnica: o novo avanço da Shardeum

No dia 15 de setembro de 2022, o Ethereum completou a tão esperada fusão (Merge). Isso marcou a transição do Ethereum do mecanismo de consenso de prova de trabalho (PoW) para o de prova de participação (PoS). No entanto, a fusão não traz diretamente maior escalabilidade, segurança e sustentabilidade. O que realmente pode alcançar esses objetivos é um conjunto completo de soluções: uma rede principal com capacidade de fragmentação combinada com soluções Layer2 que aumentam a escalabilidade.

Fragmentação é uma solução de escalabilidade para o dilema da escalabilidade. Ela funciona dividindo os nós na rede em grupos menores, processando conjuntos de transações diferentes e permitindo o processamento em paralelo. Este método é semelhante à abertura de múltitos canais de caixa em um supermercado, o que pode reduzir intuitivamente o tempo de espera e aumentar a eficiência.

No entanto, a implementação da tecnologia de Fragmentação ainda enfrenta diversos desafios. Este artigo irá traçar a linha do desenvolvimento da tecnologia de Fragmentação, comparar as soluções de Fragmentação existentes e explorar uma nova direção viável: Shardeum e fragmentação dinâmica.

Um, sobre a "Fragmentação"

A partir do ponto de origem do sistema de coordenadas do Ethereum, os métodos de escalabilidade da blockchain podem ser divididos em duas grandes categorias:

Escalabilidade Vertical (Vertical Scaling): Realizada através da melhoria do desempenho do hardware existente no sistema. Este método é simples e eficaz, mas limita o nível de descentralização da rede.

Escalabilidade Horizontal(Horizontal Scaling): Existem principalmente três abordagens:

1. Distribuir a quantidade de cálculo de transações em várias blockchains independentes.
2. Blockchain modular, dividindo a infraestrutura em camada de execução, camada de disponibilidade de dados e camada de consenso
3. Dividir uma blockchain em múltiplas Fragmentação e executar em paralelo

Cada solução de escalabilidade busca um equilíbrio dentro do triângulo impossível, em conjunto com o design do mecanismo de incentivos econômicos do sistema, para alcançar um equilíbrio nos níveis macro e micro.

Fragmentação técnica enfrenta questões críticas, incluindo:

1. Rede de Fragmentação: como determinar a quais fragmentos pertencem os nós/validadores da rede?
2. Transação de Fragmentação: como determinar a qual fragmento cada transação é atribuída?
3. Estado de Fragmentação: Como os dados da blockchain são armazenados em diferentes fragmentos?
4. Como evitar a fragmentação da segurança de todo o sistema?

Rede de Fragmentação (Network Sharding )

A fragmentação da rede refere-se à fragmentação da rede blockchain, onde cada fragmento processa transações na cadeia e compete pelo direito de contabilidade. O principal desafio é que, à medida que os nós são divididos, a dificuldade e o custo para os atacantes diminuem drasticamente.

As soluções geralmente consistem em construir um certo grau de aleatoriedade imparcial, reduzindo ao mínimo a probabilidade de sucesso do atacante. Por exemplo, o Ethereum seleciona aleatoriamente um validador para um determinado Fragmentação entre todos os validadores e muda a cada 6,4 minutos.

Transação Fragmentação (Transaction Sharding )

A fragmentação de transações refere-se à formulação de regras sobre "quais transações são alocadas a quais fragmentos". Diferentes modelos de livro-razão influenciam a implementação da fragmentação de transações:

Modelo UTXO: necessita de comunicação entre fragmentações. Uma possível maneira é fazer um hash com base no valor de entrada da transação para determinar a fragmentação.

Modelo de conta/saldo: basta fragmentar as transações de acordo com o endereço do remetente, garantindo que várias transações da mesma conta sejam processadas na mesma fragmentação, prevenindo efetivamente o duplo gasto.

Estado Fragmentação(State Sharding)

O estado da fragmentação refere-se a como os dados da blockchain são distribuídos e armazenados em diferentes fragmentos. O principal desafio é o processamento de transações entre fragmentos.

Há duas abordagens:

1. Sincronização de Fragmentação ( Synchronous ): Sempre que uma transação de fragmentação cruzada é executada, os blocos relevantes ocorrem simultaneamente. A implementação é complexa, mas a experiência do usuário é boa.
2. Assincrona Fragmentação (: uma adoção mais ampla, mas enfrenta desafios de atomicidade das transações.

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Dois, Exploração e Tentativa de Fragmentação

) Cálculo de Fragmentação

Zilliqa é uma das primeiras plataformas de contratos inteligentes a tentar a Fragmentação. Ela utiliza a fragmentação computacional, ou seja, realiza apenas a fragmentação computacional, sem realizar fragmentação de rede e armazenamento. Este método é simples e eficaz, mas a largura de banda da rede e o armazenamento ainda são gargalos.

Estado estático de Fragmentação

Um método de fragmentação mais geral é dividir o espaço de endereços da conta em fragmentos de tamanho fixo e atribuir nós a diferentes fragmentos. A Near, Elrond e Harmony utilizam este método.

A concepção de fragmentação de dados do Ethereum

A visão do Ethereum para a fragmentação futura inclui:

1. Baseado na fragmentação de "disponibilidade de dados"
2. Adicionar funcionalidades adicionais a cada fragmentação, tornando-a mais semelhante à rede principal do Ethereum de hoje.

Harmonia

Harmony utiliza o método de Fragmentação padrão, possuindo múltiplas pequenas blockchains chamadas fragmentos e uma cadeia de beacon que as coordena.

Fragmentação da rede: dividir a rede de validadores em diferentes fragmentos. Transação de Fragmentação: A transação é processada por um único Fragmento. Estado de Fragmentação: cada validador de fragmento armazena 1/N do estado global.

Harmony suporta a transmissão de mensagens entre fragmentações, mas os detalhes específicos da implementação ainda precisam ser aprimorados.

Elrond

Elrond utiliza fragmentação de estado adaptativa e um mecanismo de consenso seguro de prova de participação.

Ele utiliza a Meta Chain ### projetada, podendo determinar rapidamente transações inter-fragmentação em poucos segundos. A estratégia de transação inter-fragmentação utiliza um modelo assíncrono, processando primeiro no fragmento do remetente e depois no fragmento do destinatário.

(# Perto

A Near propôs o protocolo Nightshade ), modelando o sistema como uma única blockchain e realizando fragmentação a nível de bloco.

As transações inter-fragmentação do Near precisam ser executadas de forma contínua em cada fragmento relevante. A transação completa é primeiro enviada para o primeiro fragmento afetado, então é gerado um recibo que roteia a transação para o próximo fragmento, e assim por diante.

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Três, Shardeum e Fragmentação de Estado Dinâmico

Shardeum propôs duas soluções inovadoras:

) 3.1 Consenso de nível de transação

O consenso na rede Shardeum é alcançado em cada nível de transação, em vez de no nível de bloco, permitindo o processamento simultâneo de transações através da fragmentação. Este consenso a nível de transação elimina a complexidade necessária para garantir o processamento atómico, permitindo uma finalização em segundos e baixa latência.

3.2 Expansão Linear

Shardeum utiliza fragmentação de estado dinâmica, onde cada nó pode manter diferentes intervalos de endereços, e há sobreposição entre os endereços cobertos. Este método tem uma complexidade maior, mas permite uma verdadeira escalabilidade linear.

Através da dinâmica das mudanças na relação entre o espaço de endereços e os nós, bem como das novas provas de disponibilidade de dados, o Shardeum pode alcançar uma "expansão linear" aproximada.

Shardeum atualmente possui 10 fragmentações, cada fragmentação com 128 nós, totalizando 1280 nós. A rede principal está prevista para ser lançada no quarto trimestre de 2022. Embora ainda esteja em desenvolvimento, a tecnologia subjacente Shardus já provou ser capaz de alcançar escalabilidade linear.

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Em agosto de 2022, a Shardeum demonstrou a capacidade de 100 TPS na rede de testes Liberty 2.0. Atualmente, está a ser testada com 50 nós, onde cada nó armazena cerca de 1/5 dos dados totais e executa 1/5 das transações totais.

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Quatro, Conclusão

Uma blockchain fragmentada realmente escalável precisa ser construída do zero. Da mesma forma, construir uma comunidade sólida requer um esforço a longo prazo. Após o lançamento da testnet do Shardeum, o número ativo de testadores e transações é encorajador, mas também enfrenta algumas vozes críticas.

Acreditamos que apenas com a adoção em larga escala da Web3 é que as blockchains públicas descentralizadas de alto desempenho poderão se destacar. Aqueles que passaram por questionamentos, discussões públicas e reiteradas argumentações são os que conseguirão avançar mais no caminho da descentralização.

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