Shardeum e Fragmentação de Estado Dinâmico: outra possibilidade na exploração de fragmentação

No dia 15 de setembro de 2022, o Ethereum completou a tão aguardada fusão (Merge). Este momento histórico marcou a transição do Ethereum de Proof of Work (PoW) para Proof of Stake (PoS), para a qual a equipe do Ethereum se preparou por 5 anos, adiando 6 vezes. No entanto, muitas pessoas erroneamente acreditam que a fusão trará automaticamente maior escalabilidade, segurança e sustentabilidade, o que na verdade não é o caso. A fusão foi apenas uma troca de "trilhos e rodas", e não trará diretamente mais velocidade, maior capacidade ou menores taxas. 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. Ela divide 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 agregar em toda a rede, assim como fazemos ao fazer compras em um supermercado, onde a abertura de múltiplos caixas pode diminuir visualmente o tempo de espera e aumentar a eficiência do checkout.

Esta é a lógica básica da Fragmentação, simples e direta. No entanto, o diabo está nos detalhes - o princípio e a direção estão corretos, mas sempre há muitos problemas a serem enfrentados na implementação. Este artigo tem como objetivo esclarecer a direção e os desafios no caminho da "Fragmentação", traçando um mapa para os exploradores de Fragmentação. Ao mesmo tempo, ao comparar as soluções de fragmentação existentes, pretende-se encontrar alguns problemas comuns e propor uma direção de exploração viável: Shardeum e fragmentação dinâmica.

Um, sobre "Fragmentação"

Simplificando, considerando as restrições do triângulo impossível, partindo do Ethereum como o ponto de origem do sistema de coordenadas (, 0), de acordo com duas abordagens "verticais" e "horizontais", vamos dividir os métodos de escalabilidade atuais da blockchain em duas grandes categorias:

Escalonamento Vertical (: Através do aumento do desempenho do hardware existente do sistema. Criar uma rede descentralizada, onde cada nó na rede possui capacidade de supercomputação, ou seja, cada nó precisa de hardware "melhor". Este método é simples e eficaz, podendo alcançar uma melhoria inicial na capacidade de processamento, especialmente adequado para negociação de alta frequência, jogos e outras aplicações sensíveis à latência. No entanto, este método de escalonamento limita o nível de descentralização da rede, pois os custos de operação de nós de validação ou nós completos aumentam. Manter o nível de descentralização é limitado pela taxa de crescimento aproximada do desempenho do hardware de computação ) isso é conhecido como "Lei de Moore": o número de transistores em um chip dobra a cada dois anos, enquanto o custo de computação é reduzido pela metade (.

Fragmentação)Escalonamento Horizontal(: A fragmentação geralmente tem algumas abordagens. Uma delas é, no contexto da blockchain, dispersar a carga de cálculo das transações de um determinado ecossistema em várias blockchains independentes, cada uma com seus próprios produtores de blocos e capacidade de execução. Esse método permite uma personalização completa 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, entre outras. Outra solução de escalonamento 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 muitos fragmentos, permitindo a execução paralela. Cada fragmento pode ser visto como uma blockchain, o que significa que muitas blockchains podem ser executadas em paralelo. Além disso, normalmente haverá uma cadeia principal, cuja única tarefa é manter todos os fragmentos sincronizados.

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

Para discutir "Fragmentação", precisamos começar a organizar desde o início.

Ainda supondo este cenário, no checkout de um supermercado, 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 nas contas, neste momento precisamos estabelecer regras unificadas:

Primeiro, se tivermos 10 caixas, como devemos distribuí-los para trabalhar em quais janelas?

Em segundo lugar, se tivermos 1000 clientes na fila à espera, como decidimos a que janela cada cliente deve ir para pagar?

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

Quarto, como evitar que os caixas cometam erros para evitar discrepâncias nas contas?

Estes problemas correspondem, na verdade, a várias questões-chave na Fragmentação, que são:

Como determinar a quais fragmentações pertencem os nós/validadores da rede? Ou seja: como realizar a Fragmentação da Rede )Network Sharding(;

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 implica risco. Com base em tudo isso, como evitar a fragmentação da segurança de todo o sistema?

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) 01 Rede de Fragmentação ### Network Sharding (

Se entendermos a blockchain como um livro-razão descentralizado, seja o mecanismo de consenso PoS ou PoW, ambos visam permitir que os diferentes nós disputem o direito de registrar de acordo com determinadas regras estabelecidas, garantindo a precisão do livro-razão nesse processo. 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 dispute o 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 da blockchain só precisaria controlar direcionadamente um dos fragmentos e subornar alguns nós dentro desse fragmento.

O fundador da Near, Alexander Skidanov, descreve assim o problema: se uma única cadeia com X validadores decidir realizar um hard fork em uma cadeia de fragmentação e dividir os X validadores em 10 fragmentos, cada fragmento terá agora apenas X/10 validadores, destruir um fragmento requer apenas a destruição de 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, controlar 5.1% dos validadores se torna prejudicial. Se os validadores não puderem escolher em qual fragmento validar, a probabilidade de que os participantes que controlam 5.1% dos validadores coloquem todos os validadores no mesmo fragmento é extremamente baixa, reduzindo assim significativamente a 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 superior a 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 não tendenciosa, dependendo de métodos matemáticos para minimizar a probabilidade de sucesso de um atacante. Por exemplo, no Ethereum, a solução do Ethereum é selecionar aleatoriamente validadores de um fragmento a partir de todos os validadores e, a cada 6,4 minutos), a duração de um epoch(, trocar os validadores.

Dizendo de forma simples, é agrupar nós aleatoriamente e, em seguida, distribuir o trabalho para que cada grupo de nós verifique de forma independente.

No entanto, é preciso apontar que a aleatoriedade na blockchain é um tópico muito desafiador; logicamente, o processo de geração desse número aleatório não deve depender do cálculo 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 na Ethereum e Near, de cadeia Relay na PolkaDot, e de Cosmos Hub no Cosmos.

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) 02 Transação Fragmentação ###Transaction Sharding (

A fragmentação de transações refere-se à formulação de regras sobre "quais transações devem ser alocadas a quais fragmentos", o que pode alcançar o objetivo de processamento em paralelo e evitar a ocorrência de problemas de gasto duplo. As diferentes estruturas 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) Outputs de Transação Não Gastos 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 às saídas de transações da 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 pagamentos e trocos em transações em dinheiro, onde o cliente entrega uma ou mais notas ao comerciante, que por sua vez devolve uma ou mais notas como troco ao cliente. No modelo UTXO, a fragmentação da transação requer comunicação entre fragmentos. Uma transação pode incluir múltiplas entradas e múltiplas saídas, não existe o conceito de conta e não há registro de saldo. Uma maneira possível é: colocar o valor de entrada de sua transação em uma função de hash para processá-lo em um valor de hash discreto, a fim de determinar a qual fragmento os dados devem ir.

Para garantir que os itens sejam colocados de forma consistente nos fragmentos corretos, os valores inseridos na função hash devem vir da mesma coluna. Esta coluna é chamada de Shard Key. Depois, as transações que geram o valor 1 são alocadas no fragmento 1, enquanto as transações que geram o valor 2 são alocadas no fragmento 2. No entanto, essa abordagem tem a desvantagem de que os fragmentos precisam se comunicar para evitar ataques de double spending. Se as transações entre fragmentos forem restritas, isso limitará a usabilidade da plataforma, enquanto permitir transações entre fragmentos exigirá um equilíbrio entre os custos de comunicação entre fragmentos e os ganhos de desempenho.

Modelo de Conta/Saldo: O sistema regista o saldo de cada conta, e ao realizar transações, o sistema verifica se a conta tem saldo suficiente para o pagamento, semelhante a quando um banco regista o saldo de cada conta durante uma transferência bancária, e a transação pode ser realizada apenas se o saldo da conta for superior ao montante a transferir. No modelo de conta/saldo, como uma transação tem apenas uma entrada, basta fragmentar a transação de acordo com o endereço do remetente, garantindo que várias transações da mesma conta sejam processadas no mesmo fragmento, prevenindo efetivamente o gasto duplo. Assim, a maioria das blockchains que utilizam a tecnologia de fragmentação é um sistema de livro de contas semelhante ao do Ethereum.

( 03 Estado Fragmentação)State Sharding###

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

Continuando com o exemplo da fila no nosso supermercado, cada janela tem um registro, como é que os seus livros de contas são mantidos? Se: um cliente vai para qual fila, registra-se na conta correspondente, por exemplo, se o cliente A vai à janela A, no dia seguinte, se esse cliente for para outra janela de pagamento, como a janela B, e a janela B não tiver as informações da conta anterior do cliente (, como, por exemplo, no caso de métodos de pagamento como cartões pré-pagos ), o que fazer? Chamar as informações da conta desse cliente na janela A?

O estado da fragmentação é o maior desafio da fragmentação, sendo mais complicado do que a fragmentação de rede e a fragmentação de transações mencionadas acima. Isso porque, sob o mecanismo de fragmentação, as transações são alocadas para diferentes fragmentos com base nos endereços, ou seja, o estado só será armazenado no fragmento correspondente ao seu endereço. Um problema que surge nesse contexto é que as transações não ocorrem apenas em um único fragmento, frequentemente envolvendo a fragmentação cruzada (Cross-Sharding).

Considere 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 precisa transferir para B, isso formará uma transação entre fragmentos, o fragmento 2 chamará os registros de transações passados do fragmento 1 para confirmar a validade da transação. Se A enviar frequentemente moedas para B, o fragmento 2 terá que interagir constantemente com o fragmento 1, o que reduzirá a eficiência do processamento das transações. No entanto, se não...