Inovação da tecnologia de fragmentação: Shardeum e fragmentação de estado dinâmico

No dia 15 de setembro de 2022, o Ethereum completou a fusão (Merge). Este é um momento histórico, pelo qual o Ethereum se preparou por 5 anos e adiou 6 vezes. Devido ao longo desenvolvimento e depuração, juntamente com o efeito de halo muito comentado, muitas pessoas erroneamente acreditam que a fusão traria naturalmente maior escalabilidade, segurança e sustentabilidade, mas na verdade não é assim. A transição de PoW( prova de trabalho) para PoS( prova de participação) é apenas uma troca de trilhos e rodas; não trará diretamente mais velocidade, maior capacidade ou custos mais baixos. 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.

Como apontado pelo fundador do Ethereum, Vitalik Buterin, a fragmentação é uma solução de escalabilidade para o dilema da escalabilidade, dividindo os nós na rede em grupos menores, processando diferentes conjuntos de transações e permitindo o processamento paralelo. Ao compartilhar a carga de processar a enorme quantidade de dados necessários para consolidar em toda a rede, é semelhante a quando fazemos compras no Walmart: ao abrir mais caixas de checkout, podemos reduzir visualmente o tempo de espera e aumentar a eficiência do checkout.

Esta é a lógica da Fragmentação, direta e simples, no entanto, o diabo está nos detalhes - os princípios e a direção estão corretos, mas na implementação sempre surgem muitos problemas. Este artigo pretende, ao esclarecer a direção e os dilemas no caminho da "Fragmentação", traçar um mapa do explorador de fragmentação que contempla tanto olhar para o céu estrelado quanto estar com os pés no chão. Ao mesmo tempo, através da comparação das soluções de fragmentação existentes, encontrar algumas questões comuns e propor uma direção de exploração viável: Shardeum e fragmentação dinâmica.

Um, sobre "Fragmentação"

De forma simples, considerando as restrições do triângulo impossível, a partir do Ethereum como ponto de origem do sistema de coordenadas (0,0), seguindo duas abordagens: "vertical" e "horizontal", classificamos os métodos de escalabilidade atuais da blockchain em duas categorias principais:

Escalabilidade Vertical (: alcançada através do aumento do desempenho do hardware existente do sistema. Estabelecer uma rede descentralizada, onde cada nó na rede possui capacidade de supercomputação, ou seja, cada nó precisa de um hardware "melhor" - essa abordagem é simples e eficaz, permitindo uma melhoria inicial na taxa de transferência, especialmente adequada para negociações de alta frequência, jogos e outros cenários de aplicações sensíveis à latência. No entanto, essa forma de escalabilidade limita o nível de descentralização da rede, pois o custo de operar nós de validação ou nós completos aumenta. Manter o nível de descentralização é limitado pela taxa de crescimento aproximada do desempenho do hardware de computação ), o que é conhecido como "Lei de Moore": o número de transistores em um chip dobra a cada dois anos, enquanto o custo computacional é reduzido pela metade (.

Escalabilidade Horizontal )Horizontal Scaling (: A escalabilidade horizontal geralmente tem algumas abordagens. Uma delas é, no contexto da blockchain, dispersar a carga de transações de um determinado ecossistema em várias blockchains independentes, onde cada cadeia possui seus próprios produtores de blocos e capacidade de execução. Essa abordagem permite uma personalização total da camada de execução de cada cadeia, como requisitos de hardware dos nós, funcionalidades de privacidade, taxas de gas, máquinas virtuais e configurações de permissão. Outra solução de escalabilidade horizontal é a blockchain modular, que divide a infraestrutura da blockchain em camada de execução, camada de disponibilidade de dados )DA( e camada de consenso. O mecanismo modular de blockchain mais popular é o rollup. Há também a opção de dividir uma blockchain em várias partes, executando-as em paralelo. Cada fragmento pode ser visto como uma blockchain, o que significa que muitas blockchains podem executar em paralelo. Além disso, geralmente haverá uma cadeia principal, cuja única tarefa é manter todas as fragmentações sincronizadas.

É importante notar que as abordagens de escalabilidade acima não existem isoladamente; cada uma das soluções encontra um ponto de equilíbrio dentro do triângulo impossível, combinada com o design de mecanismos de incentivo criados pelas forças econômicas no sistema, alcançando um equilíbrio eficaz nos níveis macroscópico e microscópico.

Para discutir "Fragmentação", precisamos começar do zero.

Ainda supondo um cenário assim, o checkout do Walmart, para aumentar a eficiência do checkout e reduzir o tempo de espera dos clientes, expandimos de um único ponto de checkout para 10 janelas de checkout. Para evitar erros nos livros, neste momento precisamos estabelecer regras uniformes:

Primeiro, como devemos distribuir 10 caixas para trabalhar em quais janelas?

Em segundo lugar, se tivermos 1000 clientes na fila à espera, como decidimos a qual janela cada cliente vai fazer o pagamento?

Terceiro, como devemos resumir os 10 livros contábeis individuais correspondentes a estas 10 janelas?

Quarto, como evitar que os caixas cometam erros para prevenir situações de discrepância nas contas?

Estas questões correspondem, na verdade, a algumas questões-chave da Fragmentação, que são:

Como determinar a que fragmentação pertencem os nós/validadores da rede inteira? Ou seja: como realizar a Fragmentação de Rede )NetworkSharding(;

Como determinar a qual fragmentação cada transação é atribuída? Ou seja: como realizar a fragmentação de transações )Transaction Sharding(;

Como os dados da blockchain são armazenados em diferentes fragmentações? Ou seja: como realizar a fragmentação de estado )State Sharding(;

Complexidade significa risco, com base em tudo isso, como evitar a fragmentação da segurança do sistema inteiro?

) 01 Rede Fragmentação###Network Sharding(

Se entendermos a blockchain como um livro-razão descentralizado, tanto os mecanismos de consenso PoS quanto PoW servem para que cada nó lute pelo direito de registrar, seguindo certas regras estabelecidas, garantindo a precisão do livro-razão. A fragmentação da rede refere-se a uma outra regra estabelecida, que divide a rede blockchain em fragmentos, permitindo que cada fragmento processe transações na cadeia e lute pelo direito de registrar - ou seja, as regras de agrupamento dos nós.

E o problema encontrado nesse processo é que, à medida que os nós internos da blockchain são divididos em diferentes fragmentos, a dificuldade e o custo para os atacantes diminuem drasticamente. Podemos inferir que, assumindo que as regras e os resultados desse processo de agrupamento são fixos e previsíveis, um atacante que deseja controlar toda a rede blockchain só precisa controlar direcionadamente um dos fragmentos, subornando alguns nós dentro do fragmento.

O fundador da Near, Alexander Skidanov, descreveu o problema da seguinte forma: se uma única cadeia com X validadores decidir realizar um hard fork para uma cadeia de fragmentação e dividir os X validadores em 10 fragmentos, cada fragmento terá agora apenas X/10 validadores, e para comprometer um fragmento, basta comprometer 5,1%)51% / 10( do total de validadores. Isso leva ao segundo ponto: quem escolhe os validadores para cada fragmento? Apenas quando todos esses 5,1% de validadores estão no mesmo fragmento, o controle de 5,1% dos validadores é prejudicial. Se os validadores não puderem escolher em qual fragmento validar, é extremamente improvável que os participantes que controlam 5,1% dos validadores coloquem todos os validadores no mesmo fragmento, reduzindo assim significativamente sua capacidade de comprometer o sistema.

O sistema de fragmentação deve desenvolver um mecanismo para confiar que a rede não reverterá essas transações a partir de fragmentos externos. Até agora, a melhor resposta pode ser garantir que o número de validadores dentro do fragmento seja maior que um certo limite mínimo, de modo que a probabilidade de validadores desonestos dominarem um único fragmento seja muito baixa. A maneira mais comum é construir um certo grau de aleatoriedade imparcial, dependendo de métodos matemáticos, para minimizar a probabilidade de sucesso dos atacantes. Por exemplo, no Ethereum, a solução do Ethereum é escolher aleatoriamente validadores para um determinado fragmento de todos os validadores, e a cada 6,4 minutos ) a duração de um epoch ( os validadores são trocados.

Dizendo de forma simples, consiste em agrupar os nós aleatoriamente e depois atribuir o trabalho a cada grupo de nós para validação independente.

No entanto, é importante notar que a aleatoriedade no blockchain é um tópico muito desafiador. Logicamente, o processo de geração desse número aleatório não deve depender de cálculos de qualquer fragmentação específica. Para esse cálculo, muitas das abordagens de design existentes consistem em desenvolver uma blockchain separada para manter toda a rede. Essa cadeia é chamada de cadeia Beacon no Ethereum e Near, de cadeia Relay no PolkaDot, e de Cosmos Hub no Cosmos.

![Explicação detalhada da nova blockchain Shardeum: uma outra possibilidade de Fragmentação])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-69c7de2bfe4ae7b233bec1f706fad9ad.webp(

) 02 Transação Fragmentação###Transaction Sharding(

A fragmentação de transações refere-se à formulação de regras sobre "quais transações devem ser atribuídas a quais fragmentos", permitindo assim atingir o objetivo de processamento paralelo e evitando a ocorrência do problema de gastos duplos. As diferentes modelagens de livro-razão da blockchain podem impactar o desenvolvimento da fragmentação de transações.

Atualmente, existem duas classes de métodos de contabilidade na rede blockchain, que são o modelo UTXO) (Unspent Transaction Outputs) e o modelo de conta/saldo, sendo o primeiro representado tipicamente pelo BTC e o segundo pelo ETH.

Modelo UTXO: Nas transações BTC, cada transação terá uma ou mais saídas, UTXO refere-se a saídas de transações na blockchain que ainda não foram gastas e podem ser usadas como entradas para novas transações, enquanto as saídas de transações já gastas não podem ser reutilizadas, semelhante ao caso de transações em papel moeda onde o cliente paga ao comerciante com uma ou mais notas e o comerciante devolve uma ou mais notas como troco. No modelo UTXO, a fragmentação de transações requer comunicação entre fragmentos. Uma transação pode incluir várias entradas e várias saídas, não há o conceito de conta e não haverá registro de saldo, uma maneira possível é: colocar seu valor de entrada de transação em uma função hash para processá-lo em um valor hash discreto para determinar a qual fragmento os dados devem ir. Como segue:

Para garantir que as entradas sejam colocadas de maneira consistente nos fragmentos corretos, os valores inseridos na função hash devem vir da mesma coluna. Esta coluna é chamada de Shard Key. Em seguida, as transações que geram o valor 1 são alocadas ao fragmento 1, enquanto as transações que geram o valor 2 são alocadas ao fragmento 2. No entanto, essa abordagem tem a desvantagem de que os fragmentos precisam se comunicar para evitar ataques de duplo gasto. Restringir transações entre fragmentos limita a usabilidade da plataforma, enquanto permitir transações entre fragmentos exige um equilíbrio entre o custo da comunicação entre fragmentos e os benefícios de desempenho que ela traz.

Modelo de Conta/Saldo: O sistema regista o saldo de cada conta. Ao realizar uma transação, o sistema verifica se a conta tem saldo suficiente para o pagamento, semelhante a uma transferência bancária, onde o banco regista o saldo de cada conta e a transação só pode ser realizada se o saldo da conta for superior ao montante da transferência necessária. No modelo de conta/saldo, dado que uma transação tem apenas uma entrada, basta fragmentar a transação de acordo com o endereço do remetente para garantir que várias transações da mesma conta sejam processadas na mesma fragmentação, prevenindo efetivamente o gasto duplo. Portanto, a maioria das blockchains que utilizam tecnologia de fragmentação são sistemas de livro-razão de contas, como o Ethereum.

( 03 Estado Fragmentação)State Sharding###

Estado de fragmentação refere-se a como os dados da blockchain são distribuídos e armazenados em diferentes fragmentos.

Ainda seguindo o nosso exemplo da fila do Walmart, cada caixa tem um livro de contas, como é que eles registram suas contas? Se: o cliente vem para a fila de qual caixa, registra-se essa conta, por exemplo, o cliente A foi para a caixa A, então no dia seguinte esse cliente foi para outra caixa de pagamento, como a caixa B, e a caixa B não tinha as informações da conta anterior desse cliente (, por exemplo, que envolviam métodos de pagamento como cartões pré-pagos ), o que fazer? Chamar as informações da conta desse cliente na caixa A?

O estado da fragmentação é o maior desafio da fragmentação, mais complicado do que a fragmentação de rede e a fragmentação de transações mencionadas acima. Isso ocorre porque, sob o mecanismo de fragmentação, as transações são alocadas em diferentes fragmentos com base nos endereços, ou seja, o estado só será armazenado no fragmento onde o seu endereço está localizado. Neste momento, um dos problemas a enfrentar é que as transações não ocorrem apenas em um fragmento, frequentemente envolvendo a fragmentação cruzada (Cross-Sharding).

Considerando uma situação de transferência, a conta A transfere 10U para a conta B, e o endereço de A está alocado na Fragmentação 1, o registro da transação também será armazenado na Fragmentação 1. O endereço de B está alocado na Fragmentação 2, o registro da transação será armazenado na Fragmentação 2.

Uma vez que A deseja transferir para B, será formada uma transação inter-fragmento, onde o fragmento 2 chamará os registros de transação do fragmento 1 para confirmar a validade da transação. Se A enviar frequentemente criptomoedas para B, o fragmento 2 terá que interagir continuamente com o fragmento 1, o que diminuirá a eficiência do processamento de transações. No entanto, se não fizer o download e a verificação de todo o histórico de um fragmento específico, os participantes podem não ser capazes de determinar se o estado da interação entre eles é o resultado de alguma sequência de blocos válidos, e se essa sequência de blocos é realmente a cadeia padrão dentro do fragmento.

Portanto, em comparação com uma única cadeia sem fragmentação, o sistema de fragmentação enfrenta um novo desafio que é a ausência de usuários.