A fragmentação pode ser a chave para permitir o dimensionamento de blockchains, ao mesmo tempo em que mantém os recursos de privacidade e segurança que tornam a tecnologia de razão distribuída tão popular. Mas existem obstáculos que precisam ser resolvidos.




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Como os blockchains estão sendo implementados em um número crescente de programas-piloto para tudo, desde transações financeiras internacionais até gerenciamento da cadeia de suprimentos, um problema persistente permanece: a falta de escalabilidade.
À medida que mais computadores ingressam na rede ponto a ponto, a eficiência de todo o sistema normalmente se degrada.
[Leitura adicional: O que é FinTech (e como ele evoluiu)? ]
A escalabilidade já foi identificada como um problema com criptomoedas como bitcoin e Ethereum's Ether. Se um razão distribuído deve ser adotado por empresas de tecnologia financeira (FinTech) e competir com as redes de pagamento centenas de vezes mais rápido, ele deve encontrar uma maneira de aumentar a escalabilidade e o rendimento e resolver os problemas de latência.
Digite "fragmentação".
Sharding é um dos vários métodos populares que estão sendo explorados por desenvolvedores para aumentar o rendimento transacional. Simplificando, a fragmentação é uma forma de particionar para espalhar a carga de trabalho computacional e de armazenamento em uma rede ponto a ponto (P2P) para que cada nó não seja responsável pelo processamento de toda a carga transacional da rede. Em vez disso, cada nó mantém apenas informações relacionadas à sua partição ou fragmento.
As informações contidas em um fragmento ainda podem ser compartilhadas entre outros nós, o que mantém o razão descentralizado e seguro porque todos ainda podem ver todas as entradas do razão; eles simplesmente não processam e armazenam todas as informações.
O enigma do consenso
Um dos problemas mais persistentes com blockchains públicos gira em torno de protocolos de consenso - como obter um acordo dos usuários sobre se as transações propostas são autênticas e devem ser adicionadas a um livro razão distribuído; protocolos de consenso, como o mecanismo de prova de trabalho (PoW) mais popular, podem consumir muitos recursos de computação.
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Em um blockchain baseado em PoW, cada computador ou nó de autenticação registra todos os dados da cadeia e faz parte do processo de consenso. Em grandes blockchains, como bitcoin, a maioria dos nós participantes deve autenticar novas transações e registrar essas informações se elas forem adicionadas ao razão; isso torna a conclusão de cada transação lenta e árdua. Por causa disso, o bitcoin, que é baseado em um PoW, pode processar apenas 3,3 a 7 transações por segundo - e uma única transação pode levar 10 minutos para ser finalizada. Ethereum, outro livro razão de blockchain e criptomoeda popular, só é capaz de processar de 12 a 30 transações por segundo.
Em comparação, a VisaNet da Visa processa em média 1.700 transações por segundo.
A vantagem de ter cada nó registrando novas informações adicionadas a um blockchain é que os dados são indiscutíveis e imutáveis. As cadeias de blocos baseadas em PoW são gravadas uma vez, acrescentam muitos aplicativos; como tal, eles são imutáveis.
Ethereum e Hyperledger são as principais plataformas de blockchain do mundo e a base para um grande número de aplicações, desde criptomoedas como Ethereum's Ether até contratos online "inteligentes" ou autoexecutáveis. Ethereum está explorando fragmentação, enquanto Hyperledger não.
"Sharding é um conceito que se originou com o particionamento horizontal do banco de dados e está sendo adotado pela Ethereum ... e funciona de forma que nem todos os nós tenham que processar todas as transações, aumentando assim a escalabilidade", disse Avivah Litan, vice-presidente do Gartner e distinto analista.
No ano passado, a Ethereum começou a explorar maneiras de aumentar o desempenho depois que o livro razão do blockchain e a criptomoeda alcançaram mais de um milhão de transações por dia.
Ethereum decidiu por duas soluções propostas. Um era um mecanismo de "camada 2" - processando transações fora da cadeia em um banco de dados padrão e registrando apenas entradas permanentes no livro-razão; a outra solução era a fragmentação, permitindo que muito mais transações fossem processadas em paralelo ao mesmo tempo.
Os protocolos da camada 2 enviam a maioria das transações fora da cadeia e apenas interagem com a blockchain subjacente para entrar e sair do sistema da camada 2. Os protocolos da camada 2 transferem dados entre nós em uma LAN ou WAN adjacente, aliviando a carga da rede de blockchain P2P.
Depois que o sharding é ativado, o "estado" de um blockchain é dividido em shards ou partições. Cada conta de usuário única equivale a um fragmento, e as contas só podem fazer transações com outras contas no mesmo fragmento, explicou Litan. “Isso permite que muitas transações paralelas ocorram ao mesmo tempo”, disse ela. "Um protocolo separado escolhido pela Ethereum permite comunicações entre fragmentos."


O sharding é seguro?
Junto com a escalabilidade, alguns argumentam que o sharding também mantém a segurança nativa de um blockchain porque retém "a maior parte das propriedades de descentralização e segurança desejadas de um blockchain", escreveu o criador do Ethereum, Vitalik Buterin, em uma postagem de blog na época.
"Em teoria, o aumento na taxa de transferência da transação é linear no número de fragmentos. Quatro fragmentos? Quatro vezes a taxa de transferência, aproximadamente. Pode haver qualquer número de fragmentos", disse David Huseby, especialista em segurança do projeto de blockchain da The Linux Foundation Hyperledger.
Mas o diabo está nos detalhes, apontou Huseby. Para manter a segurança do blockchain, você deve se proteger contra invasões de shard. Corrompendo os nós em um determinado fragmento levará à perda permanente da parte correspondente dos dados, de acordo com um artigo de pesquisa publicado pela Cornell University.
No modelo da rede Ethereum, por exemplo, os nós devem ser atribuídos aleatoriamente a um fragmento e, em momentos aleatórios, eles são reatribuídos a outro fragmento escolhido aleatoriamente.
"A ideia é tornar difícil para um invasor prever, ou forçar, a qual fragmento seu nó (malicioso) foi atribuído. Isso torna mais difícil conseguir uma aquisição bizantina de qualquer fragmento", disse Huseby.
Fragmentar com blockchains do Hyperledger não é tão simples e seco, explicou Huseby.
"Nossos blockchains normalmente não lidam com 'endereços' como as criptomoedas. Os blockchains do Hyperledger se concentram em manter um estado global (pense em banco de dados) e o mecanismo de consenso regula as atualizações para esse estado enquanto o blockchain armazena atualizações de estado com segurança", disse Huseby.
Redes de Hyperledger podem ser fragmentadas verticalmente como Ethereum, mas como não divide um espaço de endereço, é possível tentar diferentes técnicas de fragmentação.
“Se eu tivesse que fragmentar uma rede Hyperledger, primeiro tiraria vantagem da divisão entre validação de transação e construção de bloco”, disse Huseby. "A validação da transação é muito mais lenta do que a construção do bloco, então minha primeira tentativa seria aumentar drasticamente o número de nós validadores de transação."
Um segundo desafio é lidar com clientes "thin", também chamados de carteiras SPV (Simplified Payment Verification), para garantir que esses nós tenham uma imagem completa do estado do blockchain enquanto ele é dividido entre os fragmentos. Para resolver o problema de visibilidade associado ao shard, os thin clients se comunicam por meio de redes separadas e mantêm cópias de estado local para cada shard.
Por último, a comunicação entre fragmentos representa um desafio porque cada fragmento aparece como uma rede blockchain separada.
Resolvendo o problema de comunicação
No início deste mês, a empresa iniciante Devvio anunciou que havia criado um protocolo de razão distribuído altamente eficiente baseado em fragmentação, protocolos de camada 2 e mecanismo de consenso eficiente, que pode resolver todos os principais problemas enfrentados por redes de blockchain. Devvio disse que seu protocolo pode ser expandido para negócios financeiros globais, executando até oito milhões de transações por segundo.



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Devvio

Devvio afirma que ele é escalonado com eficiência usando blockchains independentes com base em fragmentação. Como a taxa de transferência adicional é necessária, milhares de shards podem ser adicionados ao longo do tempo para processar dezenas de milhões de transações por segundo, na cadeia, em um blockchain público global.


No protocolo "Devv" do Devvio, cada fragmento representa um razão de blockchain separado; a empresa afirma que milhares de fragmentos podem ser adicionados a um blockchain público global ao longo do tempo para processar dezenas de milhões de transações por segundo. Por exemplo, cada fragmento é um nó blockchain independente no razão descentralizado Devv que pode manipular até 3.000 transações. Adicionar outro nó dobraria o número de transações que podem ser processadas, de acordo com o CEO da Devvio, Tom Anderson.
Cada fragmento (que também é uma carteira criptografada) se torna uma entrada em uma rede maior, que Devvio chama de rede T1; shards individuais podem se comunicar com outras pessoas por meio de uma rede transacional separada, chamada T2.
Martha Bennett, analista principal da Forrester Research, apontou que virtualmente todos os frameworks blockchain atuais que usam, ou estão propondo usar, sharding desempenham a função de maneira diferente.


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A Tecnologia Distribuída e Fundação de Pesquisa


PolyShard é uma solução de fragmentação que usa ideias da teoria da codificação para simultaneamente
obter garantias ideais de segurança, eficiência de armazenamento e eficiência computacional. A intuição principal é que os nós não devem armazenar dados replicados; em vez disso, eles devem armazenar combinações lineares codificadas de dados.
Por exemplo, sete universidades sob os auspícios de uma organização suíça sem fins lucrativos chamada Distributed Technology Research Foundation (DTR) acaba de anunciar que estão desenvolvendo uma rede de moeda digital que resolve os problemas de escalabilidade e desempenho do blockchain por meio de fragmentação.
"A falta de escalabilidade está impedindo a adoção da criptomoeda e [nossa] pesquisa inovadora está tratando disso", disse Joey Krug, membro do Conselho da Fundação DTR. "Os desenvolvedores do Unit-e estão transformando essa pesquisa em desempenho escalonável real, que beneficiará uma grande quantidade de aplicativos financeiros descentralizados."
A Unit-e está usando "formas inteiramente novas de fragmentação", chamadas de "PolyShard" - uma solução de armazenamento e computação que se torna mais eficiente com mais usuários, sem sacrificar a segurança. A chave é que o protocolo PolyShard combina dados de diferentes usuários e transações de uma forma que ainda permite a recuperação de dados precisa, semelhante à virtualização em servidores e sistemas de armazenamento.
No entanto, até o momento, os mecanismos de fragmentação ainda estão em fase de desenvolvimento e teste - teórico em certo sentido - e criando métodos padronizados que abordam não apenas escalabilidade, mas também segurança. Esse desafio deve ser abordado antes que a fragmentação possa ser considerada uma solução.
"A fragmentação não é uma solução precisa para escalabilidade", disse Husebuy. "Há muitos detalhes que precisam ser considerados e vamos precisar de alguma experimentação empírica para seguir a teoria antes de podermos chamá-la de segura. As implementações devem ser cuidadosas com as suposições para que não haja brechas para um invasor pode usar para contornar qualquer mecanismo de segurança e consenso. "