O que é sharding em cripto?

O que é sharding em cripto?

Sharding é um conceito que melhora a escalabilidade das blockchains, dividindo o processo das grandes blockchains em partes menores (shards). Na prática, por meio dos shards, os dados são distribuídos paralelamente, permitindo que sejam processados simultaneamente. Isso ocorre através de múltiplas cadeias paralelas que processam cada uma seu próprio conjunto de dados (sub-rede). Essa abordagem proporciona mais escalabilidade, maior capacidade de processamento e mais transações por segundo (TPS).

Os shards resolvem um problema fundamental, que é o fato de que cada node precisa registrar e processar todas as transações, causando alta carga e impedindo a escalabilidade da rede. Em vez disso, os shards realizam a maior parte do trabalho antes de enviar os dados para os nodes adicionarem à blockchain.

Os shards operam sem o uso de sistemas centralizados (como processadores de dados centralizados) ou soluções off-chain, permitindo que a rede funcione de forma completamente descentralizada.

Sharding é uma solução Layer-1, também chamada de camada 1. Blockchains geralmente são compostas pelo mainnet (cadeia principal), Layer 1 e Layer 2. O mainnet e a Layer 1 são interdependentes. Layer 1 é a base técnica da blockchain, e o mainnet é sua execução ao vivo. Todas as transações reais ocorrem no mainnet, e qualquer alteração na Layer 1 impacta diretamente o funcionamento do mainnet.

Exemplo: Pense em uma casa. A Layer 1 é a fundação e a estrutura: paredes, tubulações e eletricidade. O mainnet é o momento em que você mora na casa e tudo funciona de fato. Se você altera a fundação, como construir um anexo ou adicionar um banheiro extra, isso impacta a forma como você vive na casa. Veja o sharding: se a casa fica grande demais e tudo trava, você pode dividir a casa em vários cômodos organizados, cada um com suas próprias facilidades. Isso é o que o sharding faz em uma blockchain: divide a rede em partes menores (shards) para que as transações possam ser processadas em paralelo, sem travar o sistema inteiro.

Puntos clave

• Sharding divide uma blockchain em “shards” que funcionam em paralelo, permitindo o processamento simultâneo das transações. Isso aumenta significativamente a velocidade das transações (TPS).

• Os nodes precisam processar apenas uma parte da blockchain em vez do todo. Isso aumenta a eficiência e reduz os requisitos de hardware.

• A coordenação das transações entre shards exige protocolos complexos. Além disso, shards menores são mais vulneráveis a ataques, como o ataque de 51%.

• Como solução Layer-1, o sharding opera dentro da própria blockchain, sem comprometer descentralização ou segurança.

Como funciona o sharding?

Sharding em cripto funciona dividindo a blockchain em vários processadores de dados (shards) que operam paralelamente. Graças ao processamento paralelo, é possível manipular mais dados ao mesmo tempo, aumentando a velocidade de processamento das transações, expressa em transações por segundo (TPS).

Cada shard consiste em seu próprio subconjunto de dados e smart contracts. Os validadores ou nodes dentro de um shard são responsáveis pelo processamento das transações e pela manutenção do estado da blockchain, chamado de ‘state’.

O funcionamento dos shards é supervisionado por mecanismos de coordenação. Eles monitoram a colaboração entre shards e facilitam a troca de informações entre eles. Isso previne gastos duplos ou conflitos e permite processar transações em paralelo, em vez de linearmente, como nas blockchains tradicionais.

Nem toda blockchain utiliza o mesmo sistema de sharding. Por exemplo, Ethereum 2.0 (ainda sem shards implementados) utiliza uma Beacon Chain que coordena shards e mantém consenso. Polkadot usa um sistema semelhante, a Relay Chain, que controla e coordena as parachains.

Além disso, algumas blockchains experimentam outros modelos de sharding, como estruturas mais autônomas onde shards operam com coordenação central mínima.

Existem vários modelos, cada um com sua forma de execução. Apesar das diferenças, todos visam os mesmos objetivos:

• Evitar gastos duplos

• Manter o estado do livro-razão digital

• Coordenar adequadamente as transações entre shards

Estrutura dos shards

Cada shard opera de forma independente, sendo responsável por certas tarefas específicas, como garantir a transferência correta de dados para outros shards e para o restante da blockchain. Cada shard:

• Mantém seu próprio estado, como saldo de carteiras e dados de smart contracts

• Recebe e processa seu próprio subconjunto de dados de transação

• É mantido por um grupo de validadores ou nodes atribuídos ao shard

Comunicação entre shards

Pode ocorrer de certas transações envolverem vários shards. Isso acontece quando o usuário A deseja enviar tokens para o usuário B, enquanto suas carteiras estão em shards diferentes. Outro exemplo é quando um smart contract precisa acessar informações de outro smart contract, ambos processados em shards distintos.

Esse tipo de interação cross-shard apresenta desafios técnicos, como a necessidade de processar transações em múltiplas etapas. Existem soluções para isso, como:

• Processamento assíncrono, onde uma transação ocorre em múltiplas etapas entre shards.

• Protocolos de passagem de mensagens que permitem que shards enviem mensagens entre si por meio de um mecanismo de coordenação.

Técnicas de verificação e segurança no Sharding

Shards também precisam verificar dados de outros shards quanto à correção e integridade. Por isso, foram desenvolvidos mecanismos que garantem a confiabilidade do sistema. As seguintes técnicas são aplicadas:

• Fraud proof
  Um fraud proof é uma prova que demonstra que uma transação ou bloco é inválido. Se um shard cometer um erro, outra parte pode provar isso usando um fraud proof. Isso é comum em sistemas como distributed ledger technology (usada também por blockchains), que assume que todas as transações são corretas, a menos que provado o contrário.

• Validity proof
  Um validity proof (como zk-SNARK ou zk-STARK) é uma prova criptográfica que demonstra que um cálculo ou transação foi realizado corretamente. É mais eficiente que fraud proofs, porque não requer encontrar um erro. O validity proof é muito usado em ZK-rollups (soluções layer-2).

• Data availability sampling
  Técnica onde nodes solicitam aleatoriamente pedaços de um bloco para verificar se todos os dados estão realmente disponíveis para a rede. Isso previne que shards ou rollups enviem dados incompletos que não possam ser verificados.

Ethereum utiliza sharding?

Sim, Ethereum planeja implementar sharding no futuro como parte de sua estratégia de escalabilidade. No momento da escrita, o sharding ainda não foi implementado. Porém, já existem elementos implementados para permitir o sharding no Ethereum, como a Beacon Chain e a introdução dos blobs via EIP-4844, que tornam o processamento de dados muito mais eficiente e evitam armazenar dados desnecessários permanentemente na blockchain.

Com a implementação do danksharding, Ethereum deverá usar sharding futuramente, impactando significativamente o uso do Ethereum, pois isso tornará a rede muito mais escalável e amigável. Sharding faz parte do roadmap do Ethereum 2.0, que inclui várias atualizações, como a migração de Proof of Work para Proof of Stake e a introdução de rollups.

O objetivo do Ethereum 2.0 é realizar milhares de transações por segundo sem comprometer a descentralização ou segurança. Isso deve promover a adoção em massa por milhões de usuários globalmente, tornando o Ethereum mais rápido, barato e acessível.

Quais criptos usam sharding?

Existem diversas blockchains que utilizam sharding. Cada uma construiu sua própria infraestrutura, o que significa que o sharding funciona de maneira diferente na prática. O objetivo é o mesmo em todos os casos: tornar a rede mais eficiente. Exemplos incluem:

• Zilliqa: Uma das primeiras blockchains a usar sharding em produção. A rede divide todas as transações entre múltiplos shards.

• Elrond (MultiversX): Usa Adaptive State Sharding e afirma alcançar velocidades muito altas de transação.

• NEAR Protocol: Aplica sharding dinâmico, ajustando o número de shards conforme a carga da rede.

Qual a diferença entre sharding e tecnologia blockchain?

A tecnologia blockchain é o sistema subjacente, enquanto o sharding é uma técnica que torna o uso da blockchain mais eficiente, fornecendo uma solução de escalabilidade. O sharding é construído sobre a blockchain, especificamente na camada 1 (layer 1). Essa camada contém a operação da blockchain e regula o consenso, a validação das transações e a segurança da rede.

O sharding apoia a blockchain processando dados de forma mais eficiente. Ele alivia a blockchain ao processar dados em paralelo em shards diferentes. Sem sharding, um node precisaria validar toda a blockchain e todas as transações. Com sharding, um node processa apenas uma fração da rede, aumentando a escalabilidade.

Em outras palavras: blockchain é a fundação; sharding é uma técnica construtiva que torna a estrutura mais eficiente.

Vantagens do sharding

O sharding oferece várias vantagens para redes blockchain:

• Escalabilidade: O processamento paralelo aumenta a escalabilidade, podendo elevar significativamente o número de transações por segundo.

• Eficiência: Sharding reduz a quantidade de dados que nodes precisam processar, tornando o sistema mais eficiente e reduzindo drasticamente a carga na rede.

• Redução de custos: Menor carga na rede pode levar a custos de transação mais baixos.

• Acessibilidade: Como nodes processam menos dados, os requisitos de hardware são menores, tornando a rede mais acessível a participantes.

Desafios do sharding

Apesar das vantagens, o sharding também apresenta desafios complexos:

• Segurança: Shards menores podem ser mais vulneráveis a ataques, pois há menos validadores ou nodes protegendo o shard. Isso significa que um ataque de 51% em um shard requer menos capacidade.

• Complexidade: Projetar um mecanismo de sharding confiável exige protocolos avançados para comunicação e coordenação entre shards.

• Comunicação cross-shard: Transações entre shards são tecnicamente mais difíceis que dentro de uma única cadeia.

• Disponibilidade de dados: Garantir que dados de outros shards estejam disponíveis e verificáveis é crucial para a integridade da rede, especialmente porque nodes processam apenas partes da rede, não a blockchain completa.

• Descentralização: Dividir a rede em shards menores pode fazer alguns shards serem mais atraentes ou importantes, levando a uma distribuição desigual de poder ou participação, o que pode afetar a descentralização geral.

Considerações finais

Sharding oferece uma solução promissora para um dos maiores desafios da tecnologia blockchain: escalabilidade sem comprometer descentralização ou segurança. Ao dividir a rede em shards que operam em paralelo, blockchains como Ethereum poderão processar muito mais transações com menor carga por node. Embora a técnica ainda esteja em desenvolvimento e enfrente desafios em coordenação e segurança, sharding é um componente fundamental para a próxima geração de redes descentralizadas. Não é uma solução temporária, mas uma adaptação estrutural que pode melhorar significativamente a escalabilidade das blockchains.