فناوری بلاکچین در چند سال گذشته مسیر تازه‌ای در دنیای فناوری باز کرده است. این فناوری توانسته اعتماد، شفافیت و حذف واسطه‌ها را به‌شکلی جدید تعریف کند. بااین‌حال، در کنار تمام این مزایا، چالش بزرگی هم وجود دارد: سرعت پایین پردازش تراکنش‌ها.
اتریوم، یکی از پرکاربردترین بلاکچین‌ها و خانه قراردادهای هوشمند، درحال‌حاضر تنها می‌تواند حدود ۱۵ تراکنش در ثانیه انجام دهد. برای مقایسه، شرکت‌هایی مثل ویزا یا مسترکارت در همین زمان هزاران تراکنش را پردازش می‌کنند. این اختلاف باعث می‌شود که شبکه اتریوم در زمان‌های شلوغ کند شود و کارمزدها افزایش یابد. برای حل چالش پیش رو، توسعه‌دهندگان به‌دنبال روش‌هایی هستند که بتوانند شبکه را سریع‌تر و کارآمدتر کنند، بدون اینکه امنیت یا ماهیت غیرمتمرکز آن آسیب ببیند. یکی از این روش‌ها، شاردینگ (Sharding) است.
سه‌گانه بلاک چین و چالش مقیاس‌پذیری
برای درک بهتر شاردینگ، باید ابتدا مسئله معروف «سه‌گانه بلاک چین» (Blockchain Trilemma) را بشناسیم. طبق این مفهوم، هر بلاکچین تنها می‌تواند در بهترین حالت دو ویژگی از سه ویژگی زیر را داشته باشد:
- امنیت (Security)
- تمرکززدایی (Decentralization)
- مقیاس‌پذیری (Scalability)
شبکه‌های اولیه مثل بیت کوین و اتریوم، تمرکز اصلی خود را بر امنیت و تمرکززدایی گذاشتند. نتیجه آن هم قابل‌اعتمادشدن شبکه بود؛ اما توانایی پردازش تراکنش‌ها محدود باقی ماند. در این سیستم‌ها هر نود باید تمام تراکنش‌ها را ذخیره و بررسی کند. این ساختار از نظر امنیتی عالی است اما وقتی تراکنش‌ها زیاد شوند، کل شبکه کند می‌شود و هزینه‌ها بالا می‌رود.
شاردینگ چیست؟
مفهوم شاردینگ از دنیای پایگاه داده‌ها گرفته شده است. در سیستم‌های بزرگ، برای افزایش کارآیی، داده‌ها را به بخش‌های کوچکتر تقسیم می‌کنند تا فشار روی یک سرور کاهش یابد. هر بخش کوچکتر را شارد (Shard) می‌نامند.
در بلاکچین نیز همین ایده پیاده می‌شود. به‌جای اینکه تمام نودها همه تراکنش‌ها را بررسی کنند، شبکه به چند بخش مستقل (شارد) تقسیم می‌شود. هر شارد بخشی از تراکنش‌ها را پردازش می‌کند و نتیجه را به شبکه اصلی می‌فرستد. به این ترتیب، چند شارد می‌توانند هم‌زمان کار کنند و در مجموع، سرعت کل شبکه بالا می‌رود.
اگر بلاکچین را به جاده یک‌بانده تشبیه کنیم، شاردینگ آن را به اتوبان چندبانده تبدیل می‌کند. در اتوبان، خودروها که همان تراکنش‌های ما هستند، می‌توانند هم‌زمان در مسیرهای مختلف حرکت کنند.
شاردینگ در اتریوم چگونه عمل می‌کند؟
برای فهم بهتر نحوه کار شاردینگ در اتریوم، باید به تغییر بزرگ این شبکه در سال ۲۰۲۲، یعنی مرج (The Merge) اشاره کرد. در این مرحله، اتریوم از روش قدیمی استخراج یعنی اثبات کار (Proof of Work) به روش جدید اثبات سهام (Proof of Stake یا PoS) تغییر کرد. در این سیستم، ماینرها جای خود را به اعتبارسنج‌ها (Validators) دادند که با قفل‌کردن مقدار مشخصی از ارز اتر (ETH) در شبکه، اجازه تأیید تراکنش‌ها را به دست می‌آورند.
حتی پس از این تغییر، هنوز همه اعتبارسنج‌ها باید کل شبکه را بررسی می‌کردند؛ یعنی همان محدودیت قدیمی همچنان وجود داشت. در مرحله بعد، با اجرای شاردینگ، این وضعیت تغییر می‌کند. شبکه به بخش‌های مختلف تقسیم می‌شود و هر گروه از اعتبارسنج‌ها، تنها مسئول یک شارد خاص خواهد بود. این شاردها در کنار زنجیره مرکزی به نام بیکن چین (Beacon Chain) فعالیت می‌کنند که هماهنگی و امنیت کل شبکه را مدیریت می‌کند.
تفاوت پارتیشن‌بندی افقی و عمودی
شاردینگ در واقع نوعی پارتیشن‌بندی افقی است. برای روشن‌ترشدن موضوع، فرض کنید در یک جدول اطلاعات مشتریان را داریم:
- در پارتیشن‌بندی عمودی، داده‌ها بر اساس ستون‌ها تقسیم می‌شوند (مثلاً نام در یک بخش، آدرس در بخش دیگر).
- در پارتیشن‌بندی افقی، داده‌ها بر اساس ردیف‌ها تقسیم می‌شوند (مثلاً مشتریان A تا M در یک بخش، N تا Z در بخش دیگر).
در بلاکچین، پارتیشن‌بندی افقی بهتر است چون هر شارد می‌تواند مستقل عمل کند و نیازی به داده‌های دیگر شاردها ندارد. این روش سه مزیت دارد:
- افزایش سرعت: هر شارد به‌صورت جداگانه کار می‌کند و تراکنش‌ها به‌شکل موازی پردازش می‌شوند.
- حفظ تمرکززدایی: چون نودها فقط بخشی از داده‌ها را نگه می‌دارند، سخت‌افزار مورد نیاز کمتر می‌شود و افراد بیشتری می‌توانند در شبکه شرکت کنند.
- امنیت بهتر در سطح کل شبکه: هر شارد داده‌های کامل مربوط به خودش را دارد و درنتیجه، تمام بخش‌ها قابل بررسی و ردیابی باقی می‌مانند.
مزایای شاردینگ برای اتریوم
شاردینگ مزایای متعددی دارد که آینده اتریوم را شکل می‌دهد:
افزایش مقیاس‌پذیری و سرعت
بزرگ‌ترین مزیت شاردینگ، افزایش توان عملیاتی است. وقتی تراکنش‌ها بین شاردها تقسیم شوند، شبکه می‌تواند چندین برابر سریع‌تر شود. برآوردها نشان می‌دهد که اتریوم پس از اجرای کامل شاردینگ، از ۱۵ تراکنش در ثانیه به هزاران تراکنش می‌رسد. این عدد در ترکیب با فناوری‌های لایه ۲ حتی ممکن است به ده‌ها هزار تراکنش در ثانیه هم نزدیک شود.
کاهش کارمزدها
درحال‌حاضر، کارمزدهای گس در اتریوم به‌دلیل ازدحام بالاست. وقتی ظرفیت شبکه افزایش پیدا کند، رقابت برای فضای بلوک کمتر می‌شود و درنتیجه، هزینه‌ها پایین می‌آیند.
کاهش نیاز سخت‌افزاری
در معماری فعلی، اجرای یک نود کامل به منابع زیادی نیاز دارد. با شاردینگ، هر نود فقط بخشی از شبکه را پردازش می‌کند. این کار باعث می‌شود افراد عادی هم بتوانند نودهای خود را حتی روی دستگاه‌های ساده‌تر اجرا کنند.
افزایش تمرکززدایی
وقتی اجرای نودها ساده‌تر شود، کاربران بیشتری به جمع اعتبارسنج‌ها می‌پیوندند. درنتیجه، شبکه توزیع‌شده‌تر می‌شود و امنیت کلی افزایش پیدا می‌کند.
تجربه کاربری بهتر
کاربران نهایی نیز از مزایای شاردینگ بهره‌مند می‌شوند. تراکنش‌ها سریع‌تر نهایی می‌شوند، هزینه‌ها کاهش می‌یابند و کار با برنامه‌های غیرمتمرکز (dApp) روان‌تر خواهد بود.
هماهنگی با لایه ۲
شاردینگ رقیب راه‌حل‌های لایه ۲ مثل رول‌آپ‌ها (Rollups) نیست، بلکه مکمل آن‌هاست. رول‌آپ‌ها تراکنش‌ها را خارج از زنجیره اصلی پردازش کرده و فقط خلاصه‌ای از داده‌ها را به شبکه اصلی می‌فرستند. با شاردینگ، فضای ذخیره‌سازی داده‌های این رول‌آپ‌ها ارزان‌تر و سریع‌تر می‌شود و در نهایت، کل اکوسیستم مقیاس‌پذیرتر خواهد شد.
چالش‌ها و محدودیت‌های شاردینگ
هر فناوری جدید در کنار مزایا، چالش‌هایی هم دارد. شاردینگ نیز از این قاعده مستثنا نیست. برخی از این چالش‌ها عبارت‌اند از:
امنیت در سطح شارد
چون هر شارد به‌صورت مستقل عمل می‌کند، ممکن است مهاجم با کنترل تعداد کمی اعتبارسنج، بتواند شارد خاصی را هدف بگیرد. برای مقابله با این خطر، اتریوم از سیستم اختصاص تصادفی اعتبارسنج‌ها استفاده می‌کند تا حمله هماهنگ دشوار شود.
تراکنش‌های بین شاردی
اگر کاربری بخواهد تراکنشی بین دو شارد انجام دهد، باید مطمئن شویم که اطلاعات در هر دو طرف هماهنگ هستند. این کار نیاز به مکانیزم‌های ارتباطی پیچیده دارد تا از دو بار خرج کردن یا اختلاف وضعیت جلوگیری شود.
مشکل در دسترس‌بودن داده‌ها
اگر گره‌های شاردی از دسترس خارج شوند، ممکن است بخشی از داده‌ها موقتاً در دسترس نباشند. برای حل این مشکل، اتریوم از تکنیکی به نام نمونه‌برداری داده (Data Availability Sampling) استفاده می‌کند تا از وجود داده‌ها در کل شبکه اطمینان حاصل شود.
توزیع نابرابر بار
اگر بار تراکنش‌ها به‌طور مساوی بین شاردها تقسیم نشود، ممکن است برخی از شاردها شلوغ و برخی دیگر کم‌کار بمانند. ایجاد تعادل بین آن‌ها، نیازمند الگوریتم‌های دقیق مدیریت بار است.
پیچیدگی پیاده‌سازی
شاردینگ به بازطراحی بخش‌های مهم شبکه نیاز دارد. پیاده‌سازی آن در شبکه فعال و بزرگی مثل اتریوم، زمان‌بر و پرهزینه است. به همین دلیل، تیم توسعه این فرایند را به‌صورت مرحله‌ای پیش می‌برد.
نقشه راه شاردینگ در اتریوم
شاردینگ در اتریوم با «مرج» آغاز شد. فازهای بعدی شامل دو مرحله مهم هستند:
فاز اول: در دسترس بودن داده (پروتو-دنک شاردینگ)
در مارس ۲۰۲۴، با ارتقای دنکن (Dencun)، فاز نخست شاردینگ اجرا شد. در این مرحله، نوع جدیدی از تراکنش‌ها معرفی شدند که می‌توانند داده‌ها را در قالب بلاب (Blob) به شبکه ارسال کنند. این داده‌ها موقتی هستند و برای راه‌حل‌های لایه ۲ به کار می‌روند.
نتیجه آن، کاهش چشمگیر هزینه تراکنش‌ها در رول‌آپ‌ها و افزایش سرعت آن‌ها است. این مرحله را می‌توان اولین گام واقعی به‌سمت شاردینگ کامل دانست.
فاز دوم: اجرای کامل کد
در مراحل آینده، هر شارد با ذخیره داده، می‌تواند تراکنش‌ها و قراردادهای هوشمند را نیز اجرا کند. شاردها شبیه شبکه‌های کوچک اتریوم خواهند بود که به‌صورت موازی کار می‌کنند و هماهنگی آن‌ها با بیکن چین است.
در این فاز، ارتباط امن بین شاردها اهمیت زیادی دارد تا تراکنش‌های بین‌شاردی بدون مشکل انجام شود. جامعه توسعه‌دهندگان اتریوم هنوز درحال بررسی مدل دقیق این پیاده‌سازی است.
چرا شاردینگ اهمیت دارد؟
با رشد سریع برنامه‌های غیرمتمرکز، پروتکل‌های دیفای و NFTها، حجم تراکنش‌ها در اتریوم به‌طور مداوم در حال افزایش است. در ساختار فعلی، هر نود باید همه تراکنش‌ها را بررسی کند. این کار هم هزینه‌بر است و هم مانع گسترش بیشتر شبکه می‌شود. شاردینگ این فشار را کاهش می‌دهد و راه را برای مقیاس‌پذیری واقعی باز می‌کند.
نکته مهم این است که شاردینگ در لایه ۱ اجرا می‌شود، یعنی در خود شبکه اصلی. درحالی‌که بیشتر راه‌حل‌های دیگر مانند کانال‌های وضعیت یا پلاسما، در لایه‌های بالاتر کار می‌کنند. به همین دلیل، شاردینگ یکی از پایه‌ای‌ترین روش‌های توسعه اتریوم است.
جمع‌بندی
شاردینگ مسیر رسیدن به اتریوم ماژولار و مقیاس‌پذیر را هموار می‌کند. آینده‌ای که در آن کاربران به‌صورت آسان‌تر و ارزان‌تر از خدمات غیرمتمرکز استفاده می‌کنند، توسعه‌دهندگان برنامه‌های پیچیده‌تری می‌سازند و شبکه بدون ازدحام به کار خود ادامه می‌دهد.
به زبان ساده، شاردینگ گام بعدی در تکامل اتریوم است. با اجرای کامل شاردینگ، اتریوم هزاران تراکنش را در ثانیه انجام می‌دهد، هزینه‌ها را پایین می‌آورد و امکان اجرای نودها را برای کاربران بیشتری فراهم می‌کند. حرکتی تدریجی اما اساسی که ظرفیت یکی از مهم‌ترین بلاکچین‌های جهان را برای سال‌های آینده تضمین خواهد کرد.
سؤالات متداول
شاردینگ یعنی تقسیم شبکه اتریوم به چند بخش کوچکتر (شارد) تا تراکنش‌ها هم‌زمان و سریع‌تر پردازش شوند.
برای افزایش سرعت، کاهش کارمزدها و جلوگیری از ازدحام شبکه که در زمان‌های پرتراکنش رخ می‌دهد.
مرحله اول شاردینگ در به‌روزرسانی دنکن (مارس ۲۰۲۴) آغاز شده و مراحل بعدی در سال‌های آینده تکمیل می‌شود.
خیر، زیرا بیکن چین و سیستم تصادفی تخصیص اعتبارسنج‌ها مانع از تمرکز یا حمله به شاردها می‌شوند.
شاردینگ در لایه ۱ اجرا می‌شود و ساختار شبکه را تغییر می‌دهد، در حالی‌که لایه ۲ فقط سرعت و هزینه تراکنش‌ها را بهبود می‌دهد.
