شاردینگ (Sharding) چیست؟ مفهوم مقیاس‌پذیری در بلاک چین به زبان ساده

در این مقاله به زبانی ساده اما فنی بررسی می‌کنیم که مکانیزم شاردینگ چگونه کار می‌کند، چه تاثیری بر آینده اتریوم و کارمزدها دارد و کدام پروژه‌ها هم‌اکنون از این فناوری برای رسیدن به سرعت‌های خیره‌کننده استفاده می‌کنند.

شاردینگ چیست؟ مفهوم مقیاس‌پذیری به زبان ساده

برای درک عمیق مفهوم شاردینگ، ابتدا باید بدانیم که این تکنولوژی یک اختراع جدید و منحصر به دنیای کریپتو نیست، بلکه ریشه در علوم کامپیوتر دارد. در حقیقت، شاردینگ راهکاری هوشمندانه برای مدیریت حجم عظیمی از اطلاعات است که اکنون به کمک شبکه‌های بلاک چین آمده است تا یکی از بزرگ‌ترین مشکلات آن‌ها، یعنی کندی سرعت را حل کند. در ادامه، این مفهوم را گام‌به‌گام بررسی می‌کنیم.

تعریف شاردینگ در علوم کامپیوتر و پایگاه داده

در دنیای علوم کامپیوتر و مدیریت داده‌ها، شاردینگ به معنای تقسیم کردن یک پایگاه داده‌ی بزرگ و سنگین به بخش‌های کوچک‌تر و قابل مدیریت است. این بخش‌های کوچک‌تر را شارد (Shard) می‌نامند.

برای اینکه این موضوع را بهتر درک کنید، یک دفترچه تلفن بسیار قطور و سنگین را تصور کنید که حاوی نام تمام مردم یک کشور است. اگر بخواهید نام یک فرد خاص را در این کتاب پیدا کنید، باید صفحات زیادی را ورق بزنید که زمان‌بر و خسته‌کننده است. حال اگر این دفترچه تلفن را بر اساس حروف الفبا به چندین جلد کوچک‌تر تقسیم کنیم (مثلاً یک جلد برای نام‌هایی که با الف شروع می‌شوند و جلد دیگر برای ب)، جستجو بسیار سریع‌تر و آسان‌تر خواهد شد.

در علم کامپیوتر، شاردینگ دقیقا همین کار را انجام می‌دهد:

• داده‌های یک پایگاه داده‌ی عظیم را افقی برش می‌دهد.
• آن‌ها را در سرورهای مختلف توزیع می‌کند.
• باعث می‌شود دسترسی به اطلاعات سریع‌تر انجام شود، زیرا سیستم مجبور نیست برای یافتن یک داده‌ی کوچک، کل پایگاه داده را جستجو کند.

چرا بلاک چین‌ها کند می‌شوند؟ (بررسی مشکل شلوغی شبکه)

شاید برایتان سوال باشد که چرا شبکه‌هایی مانند اتریوم یا بیت کوین در زمان شلوغی دچار کندی سرعت و افزایش کارمزد می‌شوند. پاسخ در نحوه‌ی عملکرد نودها (Nodes - رایانه‌ها یا سرورهایی که وظیفه‌ی پردازش و ذخیره‌ی اطلاعات شبکه را دارند) نهفته است.

در یک بلاک چین سنتی و بدون شاردینگ، تک‌تک نودهای شبکه موظف هستند که تمام تراکنش‌ها را دانلود، پردازش و ذخیره کنند. این ویژگی اگرچه امنیت را بالا می‌برد، اما یک گلوگاه بزرگ ایجاد می‌کند. تصور کنید در یک سوپرمارکت بزرگ، تنها یک صندوق‌دار وجود دارد و تمام مشتریان باید در یک صف طولانی بایستند تا نوبتشان شود. هرچقدر تعداد مشتریان (تراکنش‌ها) بیشتر شود، صف طولانی‌تر و حرکت کندتر می‌شود.

دلایل اصلی کندی شبکه عبارتند از:

• پردازش خطی: تراکنش‌ها باید یکی پس از دیگری تایید شوند و امکان انجام همزمان آن‌ها وجود ندارد.
• محدودیت ظرفیت: سرعت کل شبکه محدود به سرعت پردازش تک‌تک نودها می‌شود.
• افزایش حجم داده: با گذشت زمان، تاریخچه‌ی تراکنش‌ها سنگین‌تر شده و پردازش آن برای نودها دشوارتر می‌شود.

شاردینگ در ارز دیجیتال؛ راهکاری برای سرعت و کارایی

شاردینگ در دنیای ارزهای دیجیتال، همان راه نجات برای خروج از ترافیک سنگین شبکه است. این تکنولوژی با تقسیم کردن شبکه به بخش‌های کوچک‌تر یا همان شاردها، بار پردازشی را بین نودها تقسیم می‌کند.

در این روش، دیگر نیازی نیست که هر نود کل اطلاعات شبکه را پردازش کند. در عوض، نودها به گروه‌های کوچک‌تری تقسیم می‌شوند و هر گروه مسئولیت بررسی و تایید تراکنش‌های مربوط به یک شارد خاص را بر عهده می‌گیرد. اگر به مثال سوپرمارکت برگردیم، شاردینگ مانند این است که مدیریت فروشگاه تصمیم بگیرد به جای یک صندوق، ۱۰ صندوق مختلف باز کند. حالا مشتریان بین صندوق‌ها تقسیم می‌شوند و صف‌ها با سرعت بسیار بیشتری حرکت می‌کنند.

مزایای اصلی این روش در بلاک چین عبارت است از:

• پردازش موازی: تراکنش‌های متعدد به صورت همزمان در شاردهای مختلف پردازش می‌شوند.
• افزایش مقیاس‌پذیری (Scalability): توانایی شبکه برای مدیریت تعداد تراکنش‌های بالا بدون افت سرعت، به شدت افزایش می‌یابد.
• کاهش فشار بر نودها: هر نود فقط بخشی از داده‌های شبکه را ذخیره می‌کند، بنابراین نیازی به ابررایانه‌های گران‌قیمت برای مشارکت در شبکه نیست.

به زبان ساده، شاردینگ کاری می‌کند که بلاک چین بتواند همزمان چندین کار را انجام دهد، نه اینکه مجبور باشد کارها را یکی پس از دیگری و با تاخیر تمام کند.

شاردینگ چگونه کار می‌کند؟ بررسی فنی

حالا که با مفهوم کلی آشنا شدیم، بیایید کمی دقیق‌تر به ماجرا نگاه کنیم و ببینیم در موتورخانه‌ی یک شبکه‌ی بلاک چین شارد شده چه اتفاقی می‌افتد. نگران نباشید، قرار نیست وارد فرمول‌های پیچیده‌ی ریاضی شویم؛ هدف ما درک منطق پشت این سیستم است. اساس کار شاردینگ بر تغییر روش پردازش داده‌ها استوار است که در ادامه آن را باز می‌کنیم.

پردازش موازی؛ تقسیم بار ترافیک بین نودها

در بلاک چین‌های نسل قدیمی مانند بیت کوین، پردازش داده‌ها به صورت «سریالی» یا پشت‌سرهم انجام می‌شود. یعنی تمام نودها (Nodes - کامپیوترهایی که به شبکه متصل هستند و اطلاعات را ذخیره می‌کنند) باید تک‌تک تراکنش‌ها را بررسی کنند. اما شاردینگ، مدلی به نام «پردازش موازی» را معرفی می‌کند.

در پردازش موازی، شبکه به جای اینکه یک صف طولانی و واحد داشته باشد، به چندین مسیر جداگانه تقسیم می‌شود. تصور کنید یک پایگاه داده یا همان دفتر کل بلاک چین، شبیه به یک جدول اکسل بسیار طولانی است. در حالت عادی، نودها باید کل این جدول را بخوانند. اما در شاردینگ، ما از روشی به نام پارتیشن‌بندی افقی (Horizontal Partitioning) استفاده می‌کنیم.

این یعنی جدول را به چند قطعه‌ی کوچک‌تر تقسیم می‌کنیم و هر قطعه را به گروهی خاص از نودها می‌سپاریم. به این ترتیب، چندین گروه از نودها به صورت همزمان مشغول کار هستند و سرعت شبکه چند برابر می‌شود.

یک مثال کاربردی برای درک بهتر شاردینگ

برای اینکه پردازش موازی و شاردینگ کاملاً برایتان جا بیفتد، بیایید یک هایپرمارکت شلوغ را تصور کنیم:

• حالت بدون شاردینگ: تصور کنید در این فروشگاه بزرگ، فقط و فقط «یک صندوق» فعال وجود دارد. فرقی نمی‌کند چقدر مشتری در صف باشد یا چقدر خرید کرده باشند؛ همه باید در همان یک صف بایستند تا نوبتشان شود. این باعث کلافگی مشتریان و کندی شدید کار می‌شود.
• حالت با شاردینگ: حالا مدیریت فروشگاه تصمیم می‌گیرد ۱۰ صندوق مختلف را همزمان فعال کند. مشتریان به ۱۰ گروه تقسیم می‌شوند (مثلاً بر اساس شماره‌ی فاکتور یا حروف الفبای نام خانوادگی).

در این حالت چه اتفاقی می‌افتد؟

• فشار از روی یک صندوق‌دار برداشته می‌شود.
• ۱۰ مشتری به صورت همزمان (موازی) تسویه حساب می‌کنند.
• سرعت کل فروشگاه ۱۰ برابر می‌شود.

در دنیای بلاک چین، آن صندوق‌ها همان «شاردها» هستند و مشتریان همان «تراکنش‌های» شما.

نقش نودها در اعتبارسنجی تکه‌های کوچک‌تر داده (Shard Chains)

در یک شبکه‌ی معمولی، اگر شما بخواهید یک نود راه‌اندازی کنید، باید فضای ذخیره‌سازی بسیار زیادی داشته باشید چون باید تاریخچه‌ی کل تراکنش‌های شبکه را از روز اول دانلود کنید. اما در شبکه‌ی شارد شده، کار نودها بسیار تخصصی‌تر و سبک‌تر می‌شود.

در اینجا مفهومی به نام زنجیره‌های شارد یا Shard Chains شکل می‌گیرد. هر نود به جای اینکه کل اطلاعات شبکه را در خود جای دهد، فقط مسئول اعتبارسنجی (Validation - بررسی درستی و تایید تراکنش) و ذخیره‌ی اطلاعات مربوط به شارد خودش است.

مزایای این روش برای نودها:

• کاهش سخت‌افزار مورد نیاز: دیگر نیازی به هارد دیسک‌های غول‌پیکر و پردازنده‌های ابرقدرت نیست.
• افزایش غیرمتمرکز بودن: چون راه‌اندازی نود ارزان‌تر و آسان‌تر می‌شود، افراد بیشتری می‌توانند مشارکت کنند و این یعنی امنیت و تمرکززدایی بیشتر.

ارتباط میان شاردها؛ داده‌ها چطور با هم صحبت می‌کنند؟ (Cross-shard Communication)

شاید این سوال برایتان پیش بیاید که «اگر اطلاعات من در شارد شماره ۱ باشد و بخواهم برای دوستم که در شارد شماره ۲ است پول بفرستم، چه می‌شود؟» اینجاست که بحث مهم ارتباط میان‌شاردی (Cross-shard Communication) مطرح می‌شود.

اگر شاردها نتوانند با هم حرف بزنند، شبکه تکه‌تکه و بی‌استفاده می‌شود. برای حل این مشکل، شبکه‌های بلاک چین از یک مکانیزم هماهنگ‌کننده استفاده می‌کنند. این مکانیزم مانند یک مدیر ارشد عمل می‌کند که بر تمام باجه‌های فروشگاه نظارت دارد.

فرآیند ارتباط معمولاً به این صورت است:

• کاربر در شارد A درخواست تراکنش می‌دهد.
• تراکنش تایید می‌شود و یک «رسید» صادر می‌شود.
• این رسید توسط مکانیزم مدیریتی (که در اتریوم به آن بیکن چین Beacon Chain گفته می‌شود) بررسی می‌شود.
• مدیر به شارد B اطلاع می‌دهد که مبلغ تایید شده است و شارد B حساب گیرنده را شارژ می‌کند.

این ارتباط پیچیده‌ترین بخش فنی شاردینگ است، زیرا باید با امنیت بسیار بالا انجام شود تا کسی نتواند با یک موجودی، دو بار پول خرج کند (مشکل Double Spending).

جایگاه شاردینگ در حل معمای سه‌گانه بلاک چین

یکی از چالش‌های اصلی و قدیمی در دنیای کریپتو، مفهومی است که ویتالیک بوترین، خالق اتریوم، آن را معمای سه‌گانه یا سه‌راهی بلاک چین (Blockchain Trilemma) نامیده است. تصور کنید یک مثلث دارید که هر ضلع آن یک ویژگی بسیار حیاتی برای شبکه است. قانون نانوشته‌ی بلاک چین‌های سنتی می‌گوید شما در بهترین حالت فقط می‌توانید دو ضلع از این مثلث را داشته باشید و باید قید سومی را بزنید. بیایید ببینیم شاردینگ چگونه قرار است این قانون را دور بزند.

سه ضلع مثلث حیاتی: امنیت، مقیاس‌پذیری و تمرکززدایی

برای اینکه بفهمیم شاردینگ چه شاهکاری انجام می‌دهد، ابتدا باید با سه ضلع این مثلث آشنا شویم:

• تمرکززدایی (Decentralization): یعنی شبکه توسط هیچ شخص، شرکت یا دولت خاصی کنترل نشود. قدرت بین هزاران کامپیوتر یا همان نودها در سراسر جهان پخش شده است.
• امنیت (Security): یعنی شبکه در برابر حملات هکرها و دستکاری اطلاعات مقاوم باشد. هرچه شبکه غیرمتمرکز تر باشد، معمولاً امنیت آن هم بالاتر است زیرا حمله به هزاران کامپیوتر سخت‌تر از حمله به یک سرور مرکزی است.
• مقیاس‌پذیری (Scalability): یعنی توانایی شبکه برای پردازش تعداد زیادی تراکنش در ثانیه بدون اینکه سرعت کم شود یا کارمزدها سر به فلک بکشد.

مشکل اینجاست که در شبکه‌های قدیمی مثل بیت کوین، برای حفظ امنیت و تمرکززدایی (که خط قرمزهای کریپتو هستند)، مجبور شدند مقیاس‌پذیری را قربانی کنند. به همین دلیل بیت کوین بسیار امن است اما نسبت به شبکه‌های بانکی سرعت کمتری دارد.

شاردینگ چگونه تعادل را به بلاک چین برمی‌گرداند؟

شاردینگ آمده است تا این مثلث را کامل کند. این تکنولوژی تلاش می‌کند بدون اینکه امنیت یا غیرمتمرکز بودن شبکه را به خطر بیندازد، سرعت را بالا ببرد. اما چگونه؟

همان‌طور که در بخش قبل گفتیم، شاردینگ کار را تقسیم می‌کند. وقتی بار پردازش بین گروه‌های مختلف تقسیم شود، شبکه مقیاس‌پذیر می‌شود (سرعت بالا می‌رود). اما نکته‌ی طلایی اینجاست که شاردینگ اجازه می‌دهد نودهای معمولی با کامپیوترهای خانگی هم بتوانند در شبکه مشارکت کنند.

اگر برای مشارکت در شبکه نیاز به ابررایانه نباشد، افراد بیشتری می‌توانند نود شوند.

• افراد بیشتر یعنی تمرکززدایی بیشتر.
• تمرکززدایی بیشتر یعنی امنیت بالاتر.
• تقسیم کار هم یعنی سرعت بالاتر.

بنابراین شاردینگ راهکاری است که می‌خواهد هر سه ضلع مثلث را همزمان حفظ کند.

مقایسه شاردینگ با افزایش سایز بلاک (Block Size)

شاید بپرسید: چرا به جای این کارهای پیچیده، سایز بلاک‌ها را بزرگ‌تر نمی‌کنیم تا تراکنش‌های بیشتری در آن‌ها جا شود؟ افزایش سایز بلاک (Block Size - ظرفیت هر صفحه از دفتر کل برای ثبت اطلاعات) یکی دیگر از راه‌حل‌هاست، اما تفاوت بنیادینی با شاردینگ دارد.

بیایید این دو روش را با یک مثال حمل‌ونقل مقایسه کنیم:

• روش افزایش سایز بلاک: مثل این است که برای جابجایی مسافران بیشتر، اتوبوس‌های شهر را دو طبقه و غول‌پیکر کنیم. این کار مشکل ترافیک را حل می‌کند، اما راندن و نگهداری این اتوبوس‌های غول‌پیکر سخت و پرهزینه است. در دنیای کریپتو، افزایش سایز بلاک باعث می‌شود حجم داده‌ها آنقدر زیاد شود که فقط شرکت‌های بزرگ با سرورهای قدرتمند بتوانند نود شوند. این یعنی شبکه به سمت متمرکز شدن می‌رود و قدرت دست ثروتمندان می‌افتد.
• روش شاردینگ: مثل این است که به جای ساخت اتوبوس‌های غول‌پیکر، تعداد زیادی ون یا تاکسی چابک به ناوگان اضافه کنیم که در مسیرهای مختلف (شاردها) حرکت می‌کنند. در این روش، رانندگان معمولی (نودهای با سیستم معمولی) هم می‌توانند فعالیت کنند.

بنابراین، افزایش سایز بلاک شاید سرعت را بالا ببرد، اما به مرور زمان باعث می‌شود شبکه از حالت مردمی خارج شده و در دست عده‌ای خاص متمرکز شود. اما شاردینگ با خرد کردن داده‌ها، اجازه می‌دهد شبکه همچنان سبک، مردمی و غیرمتمرکز باقی بماند.

شاردینگ در اتریوم؛ تحولی بزرگ در مسیر نسخه دوم

اتریوم به عنوان محبوب‌ترین پلتفرم قراردادهای هوشمند، همیشه با مشکلاتی مثل کارمزد بالا یا همان گس فی (Gas Fee - هزینه‌ای که برای انجام تراکنش به شبکه پرداخت می‌شود) و سرعت پایین دست‌وپنج نرم کرده است. توسعه‌دهندگان اتریوم سال‌هاست که وعده‌ی حل این مشکل را داده‌اند و کلید این حل‌المسائل، چیزی نیست جز شاردینگ. اما پیاده‌سازی این تکنولوژی در اتریوم کمی متفاوت‌تر و پیچیده‌تر از یک تقسیم‌بندی ساده است. بیایید ببینیم نقشه‌ی راه اتریوم دقیقاً به چه سمتی می‌رود.

نقشه‌ی راه اتریوم برای پیاده‌سازی شاردینگ

در ابتدا، نقشه‌ی راه اتریوم به این صورت بود که خود بلاک چین اصلی به ۶۴ تکه یا شارد تقسیم شود تا بتواند تراکنش‌های بیشتری را پردازش کند. اما با گذشت زمان و ظهور راه‌حل‌های لایه‌ی دوم، استراتژی تغییر کرد.

امروزه تمرکز اتریوم از «شاردینگ اجرایی» (تقسیم پردازش تراکنش‌ها) به سمت «شاردینگ داده» تغییر کرده است. به زبان ساده، اتریوم تصمیم گرفت به جای اینکه خودش سعی کند تمام تراکنش‌ها را سریع انجام دهد، به زیرساختی تبدیل شود که به شبکه‌های دیگر (لایه‌های دوم) کمک کند تا آن‌ها سریع‌تر و ارزان‌تر کار کنند. این تغییر رویکرد باعث شد مفاهیم جدیدی مثل دنک شاردینگ مطرح شود.

دنک شاردینگ Danksharding چیست و چه تغییری ایجاد می‌کند؟

نام دنک شاردینگ شاید کمی عجیب به نظر برسد، اما در واقع ترکیبی از نام یکی از محققان اتریوم (Dankrad Feist) و کلمه‌ی شاردینگ است. دنک شاردینگ، هدف نهایی و کامل اتریوم برای مقیاس‌پذیری است.

در این طرح، اتریوم به یک لایه‌ی عظیم برای ذخیره‌سازی داده‌ها تبدیل می‌شود. اما تفاوت اصلی کجاست؟

• روش قدیمی: تمام نودها باید تمام داده‌ها را برای همیشه نگه می‌داشتند که گران و سنگین بود.
• روش دنک شاردینگ: فضایی ایجاد می‌شود که شبکه‌های لایه‌ی دوم (مانند آربیتروم یا آپتیمیزم) بتوانند حجم زیادی از داده‌های تراکنش‌های خود را با هزینه‌ای بسیار ناچیز روی اتریوم قرار دهند.

این روش باعث می‌شود که اتریوم بتواند در آینده میلیون‌ها تراکنش را در ثانیه پشتیبانی کند، بدون اینکه امنیت شبکه به خطر بیفتد.

پروتو دنک شاردینگ Proto-Danksharding؛ گام اولیه برای کاهش کارمزدها

چون پیاده‌سازی کامل دنک شاردینگ زمان‌بر و پیچیده است، توسعه‌دهندگان تصمیم گرفتند یک نسخه‌ی اولیه و ساده‌تر از آن را اجرا کنند که به آن پروتو دنک شاردینگ می‌گویند (این طرح با کد EIP-4844 هم شناخته می‌شود).

مهم‌ترین ویژگی این طرح، معرفی مفهومی به نام بلاب (Blob) است. برای درک بلاب، بیایید یک مثال حمل‌ونقل بزنیم:

تصور کنید تراکنش‌های اتریوم مانند مسافرانی هستند که باید سوار یک ماشین گران‌قیمت شوند. جای کم و قیمت بالا است. بلاب‌ها مثل یک تریلی یا باربند اضافی هستند که به این ماشین وصل می‌شوند.

• این فضای اضافی (بلاب) مخصوص حمل داده‌های لایه‌ی دوم است.
• نکته‌ی کلیدی اینجاست که داده‌های داخل بلاب، دائمی نیستند و بعد از حدود یک ماه از حافظه‌ی نودها پاک می‌شوند.
• چون این داده‌ها موقتی هستند، هزینه‌ی ذخیره‌ی آن‌ها بسیار ارزان تمام می‌شود.

بنابراین، پروتو دنک شاردینگ راهی است برای اینکه داده‌های سنگین را ارزان و موقت جابجا کنیم تا ترافیک خط اصلی سبک شود.

تاثیر به‌روزرسانی دنکان Dencun بر آینده‌ی اتریوم و لایه‌های دوم

به‌روزرسانی دنکان (Dencun) که ترکیبی از دو نام Cancun و Deneb است، همان آپدیتی بود که ویژگی پروتو دنک شاردینگ را به صورت عملی روی اتریوم اجرا کرد. این به‌روزرسانی یک نقطه‌ی عطف تاریخی برای اتریوم محسوب می‌شود.

تاثیرات اصلی دنکان بر اکوسیستم اتریوم عبارت است از:

• سقوط آزاد کارمزدها در لایه‌ی دوم: شبکه‌هایی مثل آربیتروم، بیس و آپتیمیزم که روی اتریوم سوار هستند، توانستند هزینه‌ی تراکنش‌های خود را به شدت (گاهی تا ۱۰ برابر یا بیشتر) کاهش دهند.
• رقابت با بلاک چین‌های ارزان: با این آپدیت، شبکه‌های لایه‌ی دوم اتریوم توانستند از نظر هزینه با شبکه‌هایی مثل سولانا یا بایننس چین رقابت کنند.
• هموار شدن مسیر برای کاربران خرد: حالا دیگر انجام تراکنش‌های کوچک (Micro-transactions) مثل خرید یک قهوه با ارز دیجیتال یا آیتم‌های بازی، روی لایه‌های دوم منطقی و به‌صرفه شده است.

در واقع دنکان، زیرساخت لازم را فراهم کرد تا اتریوم دیگر فقط یک شبکه برای سرمایه‌گذاران بزرگ نباشد و بتواند به بستری برای اپلیکیشن‌های روزمره تبدیل شود.

مزایا و معایب Sharding | نگاهی واقع‌بینانه

مانند هر فناوری دیگری در دنیای کامپیوتر، شاردینگ هم یک چوب جادویی نیست که تمام مشکلات را بدون هزینه حل کند. این تکنولوژی مجموعه‌ای از فرصت‌های طلایی و خطرات پنهان است. برای اینکه تصمیم بگیریم آیا پروژه‌ای که از شاردینگ استفاده می‌کند ارزش سرمایه‌گذاری دارد یا خیر، باید کفه ترازو را به دقت بسنجیم. در اینجا نقاط قوت و ضعف این فناوری را به زبان ساده بررسی می‌کنیم.

مزایای کلیدی: سرعت بالا، کارمزد کمتر و دسترسی بیشتر

هدف اصلی شاردینگ بهبود عملکرد شبکه است و در این زمینه بسیار موفق عمل کرده است. مهم‌ترین نقاط قوت این فناوری عبارتند از:

• افزایش چشمگیر سرعت (TPS): شاخص تی‌پی‌اس (TPS - تعداد تراکنش در ثانیه) معیار اصلی سنجش سرعت یک بلاک چین است. شاردینگ با تقسیم ترافیک، اجازه می‌دهد هزاران تراکنش به صورت همزمان پردازش شوند. مثل این است که یک خیابان یک‌بانده را به یک اتوبان ۱۰ بانده تبدیل کنیم؛ طبیعتاً ماشین‌های بیشتری در زمان کمتری عبور می‌کنند.
• کاهش کارمزد تراکنش‌ها: وقتی ظرفیت شبکه بالا می‌رود، رقابت کاربران برای ثبت تراکنش کم می‌شود. در نتیجه، دیگر لازم نیست برای جلو افتادن در صف، هزینه‌های گزاف بپردازید. این یعنی تراکنش‌ها ارزان‌تر و به‌صرفه‌تر می‌شوند.
• دسترسی همگانی و غیرمتمرکز شدن: در شبکه‌های سنگین قدیمی، برای اینکه یک نود (Node - کامپیوتر پردازش‌کننده شبکه) باشید، به تجهیزات گران‌قیمت نیاز داشتید. اما در شاردینگ، چون هر نود فقط بخشی از داده‌ها را پردازش می‌کند، می‌توان با کامپیوترهای معمولی و حتی گوشی‌های موبایل هوشمند نیز به شبکه متصل شد. این موضوع باعث می‌شود افراد بیشتری بتوانند در شبکه مشارکت کنند.

چالش‌های امنیتی؛ آیا خطر حمله ۵۱ درصدی افزایش می‌یابد؟

امنیت، پاشنه‌ی آشیل شاردینگ است. بزرگ‌ترین نگرانی متخصصان در مورد این فناوری، احتمال وقوع حملاتی است که در شبکه‌های یکپارچه بسیار دشوار هستند.

مفهوم حمله ۵۱ درصدی (51% Attack) زمانی رخ می‌دهد که یک هکر یا گروه خرابکار، بیش از نصف قدرت پردازشی شبکه را در اختیار بگیرند و بتوانند تراکنش‌ها را دستکاری کنند.

در یک شبکه مثل بیت کوین، به دست آوردن ۵۱ درصد کل قدرت شبکه تقریباً غیرممکن و بسیار پرهزینه است. اما در یک شبکه‌ی شارد شده ماجرا متفاوت است:

• خطر تصاحب تک شارد (Shard Takeover):
  فرض کنید شبکه به ۱۰۰ تکه (شارد) تقسیم شده است. حالا قدرت پردازشی مورد نیاز برای حمله به «یک شارد»، تنها ۱ درصد از کل قدرت شبکه است! هکرها می‌توانند تمام توان خود را روی یک شارد خاص متمرکز کنند، کنترل آن را به دست بگیرند و داده‌های آن بخش را تغییر دهند.

راهکار چیست؟

توسعه‌دهندگان برای حل این مشکل از روشی به نام نمونه‌برداری تصادفی (Random Sampling) استفاده می‌کنند. یعنی شبکه به طور مرتب و کاملاً تصادفی، نودها را بین شاردهای مختلف جابجا می‌کند تا هکرها نتوانند برای حمله به یک شارد خاص برنامه‌ریزی کنند.

پیچیدگی‌های فنی و ریسک خرابکاری هکرها در شاردها

پیاده‌سازی شاردینگ از نظر کدنویسی و مهندسی بسیار دشوار است. هرچه سیستم پیچیده‌تر باشد، احتمال وجود باگ (Bug - خطای نرم‌افزاری) در آن بیشتر است.

• مشکل ارتباط بین شاردها:
  هماهنگ کردن ده‌ها یا صدها شارد مختلف که باید مدام با هم صحبت کنند، کار ساده‌ای نیست. اگر مشکلی در این ارتباط پیش بیاید، ممکن است تراکنش‌ها گم شوند یا دوبار انجام شوند.
• سخت‌تر شدن فرآیند تایید:
  وقتی داده‌ها تکه‌تکه می‌شوند، نودها برای دیدن تصویر کلی شبکه کار سخت‌تری دارند. این پیچیدگی ممکن است راه‌های نفوذ جدیدی برای هکرها باز کند که هنوز کشف نشده‌اند.

جدول مقایسه‌ای: نقاط قوت در برابر نقاط ضعف

برای جمع‌بندی و مرور سریع، می‌توانید نگاهی به جدول زیر بیندازید تا تفاوت‌های اصلی را یکجا ببینید:

ویژگی	وضعیت در شبکه‌ی شارد شده	وضعیت در شبکه‌ی سنتی (بدون شاردینگ)
سرعت پردازش	بسیار بالا (پردازش موازی)	پایین (پردازش نوبتی و پشت‌سرهم)
هزینه کارمزد	پایین و اقتصادی	معمولاً بالا (در زمان شلوغی)
تجهیزات مورد نیاز نودها	کامپیوترهای معمولی و سبک	سرورهای قدرتمند و هارد دیسک‌های حجیم
پیچیدگی فنی	بسیار پیچیده و سخت برای اجرا	ساختار ساده‌تر و اثبات‌شده
امنیت در برابر حمله	آسیب‌پذیرتر (نیاز به مکانیزم‌های دفاعی خاص)	بسیار امن (به دلیل یکپارچگی شبکه)
احتمال بروز باگ	بالاتر	پایین‌تر

کدام ارزهای دیجیتال از تکنولوژی شاردینگ استفاده می‌کنند؟

تا به اینجای مقاله متوجه شدیم که شاردینگ یک ایده‌ی نظری جذاب روی کاغذ نیست، بلکه همین حالا در دنیای واقعی و در برخی از پیشرفته‌ترین شبکه‌های بلاک چین در حال اجراست. در حالی که اتریوم هنوز در حال تکمیل مراحل پیاده‌سازی این فناوری است، پروژه‌های دیگری وجود دارند که از همان روز اول، ساختار خود را بر مبنای شاردینگ بنا کرده‌اند. در ادامه با پیشگامان این عرصه آشنا می‌شویم.

زیلیکا Zilliqa؛ پیشگام در اجرای شاردینگ

اگر بخواهیم مدال اولین اجراکننده‌ی موفق شاردینگ را به گردن کسی بیندازیم، آن پروژه قطعاً زیلیکا است. زیلیکا اولین بلاک چین عمومی بود که توانست شاردینگ را نه در آزمایشگاه، بلکه در شبکه‌ی اصلی خود پیاده‌سازی کند.

زیلیکا برای حل مشکل مقیاس‌پذیری، شبکه را به گروه‌های کوچک‌تری از نودها تقسیم می‌کند. هر زمان که تراکنش جدیدی وارد شبکه می‌شود، به یکی از این گروه‌ها سپرده می‌شود تا سریعاً پردازش شود. نکته‌ی جالب در مورد زیلیکا این است که با افزایش تعداد نودها، سرعت شبکه هم بیشتر می‌شود؛ درست برعکس بیت کوین که با شلوغ‌تر شدن، کندتر می‌شود.

نیر پروتکل NEAR؛ تکنولوژی نایت‌شید Nightshade

نیر پروتکل یکی از رقبای سرسخت اتریوم است که رویکردی بسیار خلاقانه به نام نایت‌شید (Nightshade) را برای شاردینگ انتخاب کرده است.

در مدل‌های معمولی شاردینگ، زنجیره‌ی اصلی کاملاً شکسته و جدا می‌شود، اما در تکنولوژی نایت‌شید، سیستم به گونه‌ای طراحی شده که انگار تمام شاردها همچنان بخشی از یک بلاک واحد هستند. تصور کنید به جای اینکه ۱۰ اتوبان جداگانه بسازیم، یک اتوبان بسیار عریض داریم که خط‌کشی‌های هوشمند دارد و ماشین‌ها بدون تداخل و با سرعت بالا در کنار هم حرکت می‌کنند.

این معماری به نیر اجازه می‌دهد تا کارمزدها را تقریباً به صفر برساند و سرعتی باورنکردنی را تجربه کند، بدون اینکه امنیت شبکه به خطر بیفتد.

پولکادات Polkadot و رویکرد پاراچین Parachain

پولکادات تعریف کاملاً متفاوتی از شاردینگ ارائه داده است. گوین وود (Gavin Wood)، بنیان‌گذار پولکادات (که یکی از بنیان‌گذاران اتریوم هم بوده)، سیستمی را طراحی کرده که در آن هر شارد، در واقع خودش یک بلاک چین کامل و مستقل است.

به این بلاک چین‌های مستقل، پاراچین (Parachain) گفته می‌شود. ساختار پولکادات شبیه به یک فرودگاه بین‌المللی بزرگ است:

• ریلی چین (Relay Chain): نقش برج مراقبت و هسته‌ی مرکزی را دارد که امنیت کل فرودگاه را تامین می‌کند.
• پاراچین‌ها: همان هواپیماها یا ترمینال‌های مختلف هستند که هرکدام کار مخصوص به خود را انجام می‌دهند (مثلاً یک پاراچین مخصوص بازی است و دیگری مخصوص امور مالی).

این ساختار باعث می‌شود که بلاک چین‌های مختلف بتوانند به راحتی با هم ارتباط برقرار کنند و داده‌هایشان را رد و بدل کنند.

الروند MultiversX؛ شاردینگ وضعیت تطبیقی (Adaptive State Sharding)

پروژه‌ی مالتی‌ورس‌ایکس که قبلاً با نام الروند (Elrond) شناخته می‌شد، یکی از پیچیده‌ترین و کامل‌ترین انواع شاردینگ را اجرا کرده است که به آن شاردینگ وضعیت تطبیقی می‌گویند.

بسیاری از شبکه‌ها فقط تراکنش‌ها را شارد می‌کنند، اما مالتی‌ورس‌ایکس همه چیز را تقسیم می‌کند: هم تراکنش‌ها، هم داده‌ها و هم وضعیت شبکه. کلمه‌ی «تطبیقی» در نام این تکنولوژی به این معنی است که شبکه زنده و هوشمند است.

اگر ترافیک شبکه زیاد شود، سیستم به صورت خودکار شاردهای جدیدی ایجاد می‌کند تا سرعت کم نشود. اگر ترافیک کم شود، شاردها را ادغام می‌کند تا بازدهی بالا برود. این انعطاف‌پذیری باعث شده تا این شبکه بتواند ادعای پردازش صدها هزار تراکنش در ثانیه را داشته باشد.

تفاوت Sharding با سایر راهکارهای مقیاس‌پذیری

زمانی که صحبت از افزایش سرعت و کارایی در بلاک چین می‌شود، شاردینگ تنها گزینه روی میز نیست. مهندسان دنیای کریپتو راهکارهای مختلفی را توسعه داده‌اند که هرکدام با روشی متفاوت سعی در حل مشکل ترافیک شبکه دارند. شاید برایتان سوال پیش بیاید که اگر شاردینگ این‌قدر خوب است، پس چرا نام پروژه‌هایی مثل آربیتروم یا پالیگان را زیاد می‌شنویم؟ برای پاسخ به این سوال، باید تفاوت‌های بنیادی شاردینگ با سایر روش‌ها را بررسی کنیم.

تفاوت شاردینگ و راهکارهای لایه‌ی 2 (Layer 2)

برای درک تفاوت این دو، بیایید بلاک چین اصلی (مثل اتریوم) را یک اتوبان اصلی و شلوغ در نظر بگیریم.

• شاردینگ (راهکار لایه‌ی 1): شاردینگ مثل این است که شهرداری تصمیم بگیرد خود اتوبان اصلی را عریض‌تر کند و به جای ۲ باند، ۱۰ باند برای حرکت ماشین‌ها بسازد. در اینجا تغییرات مستقیماً روی ساختار اصلی یا همان لایه‌ی اول (Layer 1 - بلاک چین پایه مثل بیت کوین یا اتریوم) اعمال می‌شود.
• لایه‌ی 2: این راهکارها دست به ترکیب اتوبان اصلی نمی‌زنند. در عوض، یک پل هوایی یا تونل سریع‌السیر در موازات اتوبان می‌سازند. ماشین‌ها وارد این مسیر فرعی می‌شوند، با سرعت بالا حرکت می‌کنند و در نهایت فقط برای خروج، دوباره به اتوبان اصلی برمی‌گردند.

بنابراین تفاوت اصلی در این است:

• شاردینگ ساختار اصلی بلاک چین را تغییر می‌دهد تا قوی‌تر شود.
• لایه‌ی دوم یک طبقه‌ی جدید روی بلاک چین می‌سازد تا بار ترافیک را از دوش طبقه‌ی پایین بردارد.

مقایسه شاردینگ با رول‌ آپ‌ها (Rollups)

رول‌ آپ‌ها یکی از محبوب‌ترین انواع لایه‌ی دوم هستند که این روزها در اکوسیستم اتریوم بسیار پرکاربرد شده‌اند. نام رول آپ (Rollup - به معنای لوله کردن یا جمع کردن) دقیقاً کار آن را توصیف می‌کند.

تفاوت عملکرد این دو به شکل زیر است:

• عملکرد رول آپ: رول آپ صدها تراکنش را در خارج از شبکه‌ی اصلی جمع‌آوری می‌کند، آن‌ها را فشرده می‌کند و مثل یک فرش لوله شده، همه‌ی آن‌ها را در قالب یک بسته‌ی کوچک به شبکه‌ی اصلی می‌فرستد. در واقع رول آپ‌ها سعی می‌کنند با فشرده‌سازی داده‌ها، فضای کمتری اشغال کنند.
• عملکرد شاردینگ: شاردینگ کاری به فشرده‌سازی ندارد؛ بلکه فضای کلی انبار را بزرگ‌تر می‌کند. شاردینگ پایگاه داده را تکه‌تکه می‌کند تا ظرفیت ذخیره‌سازی و پردازش بیشتر شود.

اگر بخواهیم با یک مثال کامپیوتری توضیح دهیم:

• رول آپ مثل این است که فایل‌های خود را Zip (فشرده) کنید تا جای کمتری بگیرند.
• شاردینگ مثل این است که هارد دیسک خود را ارتقا دهید تا جای بیشتری داشته باشید.

آیا شاردینگ قاتل لایه‌ی دوم‌ها است یا مکمل آن‌ها؟

این یکی از بزرگ‌ترین سوتفاهم‌های دنیای کریپتو است. بسیاری فکر می‌کنند وقتی شاردینگ در اتریوم کامل شود، دیگر نیازی به شبکه‌های لایه‌ی دوم مثل آربیتروم یا آپتیمیزم نیست. اما واقعیت کاملاً برعکس است.

شاردینگ و لایه‌ی دوم نه تنها رقیب نیستند، بلکه بهترین دوستان یکدیگرند. بیایید ببینیم چرا این دو مکمل هم هستند:

• تقسیم وظایف: لایه‌ی دوم‌ها در پردازش سریع تراکنش‌ها عالی هستند (مثل موتور قدرتمند)، و شاردینگ در فراهم کردن فضای ذخیره‌سازی داده‌ها عالی عمل می‌کند (مثل باک بنزین بزرگ).
• هم‌افزایی (Synergy): همان‌طور که در بخش‌های قبلی گفتیم، نقشه‌ی راه جدید اتریوم (دنک شاردینگ) اصلاً طراحی شده تا به لایه‌ی دوم‌ها سرویس بدهد. شاردینگ فضای ارزانی را ایجاد می‌کند تا رول آپ‌ها بتوانند داده‌هایشان را در آن بریزند.

بنابراین، فرمول نهایی موفقیت بلاک چین به این صورت است:

شاردینگ (برای ظرفیت داده) + رول آپ‌ها (برای سرعت پردازش) = یک ابرکامپیوتر جهانی سریع و ارزان.

در نتیجه، شاردینگ نه تنها قاتل لایه‌ی دوم‌ها نیست، بلکه سکوی پرتابی است که باعث می‌شود آن‌ها حتی سریع‌تر و ارزان‌تر از امروز کار کنند.

جمع‌بندی؛ آیا شاردینگ آینده‌ی نهایی بلاک چین است؟

ما در طول این مقاله، سفر نسبتاً پیچیده‌ای را به اعماق فنی بلاک چین داشتیم. از ترافیک سنگین شبکه و کارمزدهای کلافه‌کننده صحبت کردیم و دیدیم که چگونه مهندسان با الهام گرفتن از پایگاه‌های داده‌ی قدیمی، راهکاری مدرن به نام شاردینگ را برای نجات ارزهای دیجیتال پیشنهاد داده‌اند. اما سوال اصلی که در ذهن بسیاری از کاربران باقی می‌ماند این است: آیا شاردینگ آخرین قطعه‌ی پازل است و بعد از آن دیگر مشکلی نخواهیم داشت؟

پاسخ کوتاه این است: شاردینگ پایان راه نیست، بلکه شروع یک بزرگراه جدید است.

برای اینکه دیدگاه شفافی نسبت به آینده داشته باشید، باید بدانید که صنعت بلاک چین در حال حرکت به سمت مدلی است که در آن «همکاری» حرف اول را می‌زند. شاردینگ قرار نیست به تنهایی معجزه کند؛ بلکه قرار است زیرساختی قدرتمند و مستحکم بسازد تا سایر فناوری‌ها روی آن سوار شوند.

بیایید نکات کلیدی و نتیجه‌گیری نهایی را در چند مورد خلاصه کنیم:

• شاردینگ یک ضرورت است، نه یک انتخاب: با توجه به اینکه دنیا به سمت پذیرش عمومی (Mass Adoption - استفاده‌ی همگانی و روزمره مردم از یک فناوری) می‌رود، بلاک چین‌های فعلی چاره‌ای جز تغییر ندارند. بدون شاردینگ یا تکنولوژی‌های مشابه، بلاک چین همیشه یک اسباب‌بازی گران‌قیمت برای قشر خاصی از سرمایه‌گذاران باقی می‌ماند و نمی‌تواند جایگزین سیستم‌های بانکی شود.
• ترکیب برنده: شاردینگ به علاوه‌ی لایه‌ی دوم: همان‌طور که در بخش اتریوم دیدیم، آینده‌ی این صنعت متعلق به همکاری شاردینگ و شبکه‌های لایه‌ی دوم است. تصور کنید شاردینگ، جاده را آسفالت و عریض می‌کند و لایه‌ی دوم، خودروهای سریع‌السیری هستند که در این جاده حرکت می‌کنند. هیچ‌کدام بدون دیگری به پتانسیل کامل خود نمی‌رسند.
• پیچیدگی در برابر کارایی: باید بپذیریم که شاردینگ امنیت شبکه را با چالش‌های جدیدی روبرو می‌کند. پیاده‌سازی این سیستم بسیار دشوار است و ممکن است سال‌ها طول بکشد تا به بلوغ کامل برسد. بنابراین نباید انتظار داشته باشیم که فردا صبح بیدار شویم و تمام مشکلات اتریوم یا سایر ارزها حل شده باشد. این یک فرآیند زمان‌بر و تدریجی است.

در نهایت، اگر به عنوان یک سرمایه‌گذار یا کاربر به این فضا نگاه می‌کنید، وجود برنامه‌ی شاردینگ در نقشه‌ی راه یک پروژه، نشان‌دهنده‌ی آینده‌نگری و جدیت تیم توسعه‌دهنده‌ی آن است. شاردینگ، کلیدی است که قفل‌های قدیمی مقیاس‌پذیری را باز می‌کند و به ما اجازه می‌دهد رویای «اینترنت غیرمتمرکز و سریع» را به واقعیت تبدیل کنیم. پس می‌توان گفت بله، شاردینگ بخش جدایی‌ناپذیری از آینده‌ی نهایی و روشن بلاک چین خواهد بود.

منابع:

Coinbase

Investopedia

Tangem