O que é o Sharding e como funciona?

Introdução

A tecnologia blockchain trouxe potencialidades inéditas no domínio da descentralização, transparência e segurança. Contudo, depara-se com um desafio premente: a escalabilidade. Esta constitui um dos vértices do chamado “trilema da blockchain”, a par da segurança e da descentralização. A obtenção simultânea destes três fatores continua a ser um problema persistente neste setor. É neste contexto que surgem soluções estratégicas como o “sharding”.

O sharding fraciona uma blockchain em “shards” (fragmentos) de menor dimensão para responder aos desafios de escalabilidade das redes de camada 1. Esta estratégia aumenta a rapidez das transações, reduz os custos de processamento e armazenamento, e reforça o desempenho global da rede. Ainda assim, o sharding pode também acarretar desvantagens, como questões de segurança e maior complexidade nas transações entre shards.

O que é Sharding?

O sharding é um conceito proveniente da gestão tradicional de bases de dados, que consiste em dividir uma base de dados de grandes dimensões em partes mais pequenas e fáceis de gerir, denominadas shards. Na blockchain, a sua aplicação visa aumentar a escalabilidade sem abdicar da descentralização. Na prática, o sharding ocorre quando uma rede blockchain é segmentada em shards, que podem processar transações e smart contracts em paralelo.

Esta abordagem altera profundamente o funcionamento das redes blockchain, permitindo-lhes tratar volumes muito superiores de transações sem sacrificar a segurança nem a descentralização.

Como funciona o Sharding?

Para perceber como o sharding é implementado numa rede blockchain, é fundamental entender primeiro o modo como os dados são armazenados e processados. Existem várias metodologias de processamento de dados. Vejamos o processamento sequencial e o processamento paralelo.

Habitualmente, cada nó de uma blockchain trata todo o volume de transações da rede. Este método designa-se processamento sequencial: cada nó armazena e gere toda a informação relevante, como saldos de contas e históricos de transações. Ou seja, cada nó processa todas as operações e dados da rede.

Apesar de este modelo reforçar a segurança ao registar todas as transações em todos os nós, compromete severamente a velocidade de processamento. É aqui que o processamento paralelo se torna relevante, ao permitir várias operações em simultâneo.

O sharding constitui uma solução eficaz para este dilema ao dividir, ou “particionar”, a carga transacional por toda a rede. Deste modo, nem todos os nós têm de processar a totalidade da blockchain.

O sharding reparte a carga através da partição horizontal. Neste processo, os dados são organizados em subconjuntos horizontais, sendo que cada shard desempenha o papel de uma base de dados autónoma, capaz de processar transações independentemente.

Partição Horizontal vs. Partição Vertical

A partição horizontal e a partição vertical são métodos distintos de aumentar a escalabilidade das bases de dados. Embora ambos visem gerir grandes volumes de dados com maior eficiência, as suas lógicas diferem. O sharding é a implementação mais comum da partição horizontal.

Na partição horizontal, os dados são repartidos por linhas entre diferentes nós (ou bases de dados), ficando cada nó responsável por um subconjunto dessas linhas. Como cada linha é uma entidade distinta, esta separação não prejudica a integridade dos dados. Um caso paradigmático de partição horizontal é a arquitetura de redes como Ethereum e Bitcoin.

Na partição vertical, a divisão faz-se por colunas. Cada partição inclui um subconjunto dos atributos de cada entidade, ou seja, pode conter apenas algumas colunas de dados. Por exemplo, numa tabela de clientes com as colunas Nome, Estado, Descrição e Foto, a partição vertical pode guardar ‘Nome’ e ‘Estado’ numa tabela e ‘Descrição’ e ‘Foto’ noutra.

Porquê privilegiar a Partição Horizontal?

Nas redes blockchain, a partição horizontal é preferida em relação à vertical por três razões principais: escalabilidade, descentralização e segurança.

Escalabilidade: O sharding permite dividir os dados em shards menores e autónomos. Cada shard pode funcionar isoladamente, o que potencia o processamento simultâneo de transações e aumenta a eficiência e a velocidade da rede. A partição vertical, ao distribuir colunas por bases de dados distintas, pode tornar mais complexa a recuperação da informação de um bloco e limitar a escalabilidade.

Descentralização: Em linha com os princípios da blockchain, a partição horizontal reforça a descentralização. Como cada nó apenas processa uma fração dos dados (um shard), é possível envolver mais nós, reduzindo as exigências computacionais e de armazenamento. A partição vertical, pelo contrário, obriga cada nó a aceder a todas as colunas para validar os blocos, restringindo a participação na rede.

Segurança e Integridade dos Dados: A partição horizontal assegura a integridade dos dados, já que cada shard contém o histórico completo das transações na sua área, garantindo que cada nó detém uma cópia exata do seu segmento da blockchain. Com a partição vertical, o histórico de um bloco ficaria disperso, dificultando a preservação da integridade e segurança essenciais ao ecossistema blockchain.

Quais são as Vantagens do Sharding?

Analisemos os principais benefícios que o sharding oferece à blockchain:

Transações mais rápidas: O sharding permite processar transações em paralelo. Em vez de as processar individual e sequencialmente, permite que várias ocorram em simultâneo em shards distintos. Cada shard opera de forma independente, acelerando significativamente a execução das transações. Isto eleva a capacidade da rede e facilita a sua adoção em massa.

A Zilliqa exemplifica uma blockchain que utiliza shards para escalar a sua rede, permitindo milhares de transações por segundo graças ao seu mecanismo de sharding.

Redução dos custos de processamento e armazenamento: Nas blockchains tradicionais, cada nó tem de armazenar todas as transações, exigindo hardware cada vez mais potente. Com o sharding, cada nó gere apenas uma fração dos dados, reduzindo os requisitos de entrada.

Este modelo permite que mais participantes atuem como validadores, promovendo a descentralização sem custos impeditivos. O sharding atenua a concentração de validação em entidades com recursos computacionais elevados, preservando o caráter democrático das redes blockchain.

Melhoria do desempenho da rede: O sharding pode otimizar a capacidade e o desempenho das redes. Em blockchains convencionais, um aumento de nós implica maior necessidade de sincronização e comunicação, o que pode degradar a performance.

Com o sharding, cada fragmento opera em paralelo, permitindo processar mais transações e operações computacionais. Quando um novo nó entra na rede, pode ser alocado a um shard específico, aumentando a capacidade de escalabilidade. Isto traduz-se em maior eficiência, operações mais fluidas e melhor experiência para o utilizador.

Importa sublinhar que futuras evoluções tecnológicas no sharding poderão potenciar ainda mais estas vantagens e contribuir para a constante evolução do ecossistema blockchain.

Quais são as Limitações do Sharding?

Apesar dos benefícios, o sharding também apresenta desafios próprios. Entre as desvantagens e vulnerabilidades possíveis destacam-se:

Ataques de controlo de um único shard: Num ambiente de sharding, a potência computacional necessária para controlar um shard é bastante inferior à exigida para dominar toda a rede. Isto torna cada shard mais vulnerável a ataques de “one percent” ou “single shard takeover”, em que um agente malicioso, com poucos recursos face ao total da rede, assume o controlo de um shard isolado.

Transações entre shards: As transações que atravessam diferentes shards (cross-shard transactions) são particularmente complexas e suscetíveis a riscos, como o duplo gasto. Se um shard não acompanhar corretamente o estado de outro, pode ser possível explorar falhas para duplicar pagamentos.

Problemas de disponibilidade de dados: O sharding torna mais difícil manter o estado global da rede. Se shards específicos ficarem indisponíveis (por exemplo, devido à inatividade dos respetivos nós), podem surgir falhas de disponibilidade de dados e perturbações na rede.

Segurança da rede: O sharding exige protocolos sólidos para equilibrar a distribuição dos dados entre shards. Caso contrário, pode haver desequilíbrios e instabilidade no funcionamento da rede.

Sincronização dos nós: A atualização e sincronização entre nós pode provocar atrasos, sobretudo se algum nó tiver uma ligação lenta ou capacidade reduzida, prejudicando o desempenho global da rede blockchain.

Existe Sharding no Ethereum?

O Ethereum prevê implementar o sharding como parte da transição para o Ethereum 2.0. O Ethereum 2.0, também conhecido por Eth2 ou Serenity, representa uma atualização da rede Ethereum para aumentar a sua velocidade, eficiência e escalabilidade, permitindo processar mais transações e reduzir a congestão.

Esta implementação está a decorrer em várias fases, sendo que a última (Fase 2) prevê o sharding integral. Os desenvolvedores do Ethereum esperam que estas melhorias solucionem os atuais desafios de escalabilidade e custos de transação.

Contudo, a implementação do sharding acarreta desafios próprios, especialmente no que respeita à manutenção da segurança e da descentralização. Por isso, a equipa de desenvolvimento do Ethereum está a avançar cautelosamente, promovendo testes rigorosos ao longo desta transição para assegurar o sucesso da atualização no momento da sua plena implementação.

Conclusão

No geral, o sharding constitui um avanço relevante na abordagem ao trilema da blockchain. Ainda que introduza novas complexidades e riscos, o seu potencial para aumentar a escalabilidade sem comprometer a descentralização é promissor para o futuro das redes blockchain.

Não é de estranhar que várias blockchains estejam a explorar o sharding. O Ethereum está a integrar esta tecnologia na sua evolução para Ethereum 2.0, a fim de resolver as limitações de escalabilidade. A implementação será feita através de sucessivas atualizações de protocolo, centrais ao plano global de melhorias da rede. No entanto, tal como sucede com qualquer tecnologia inovadora, o êxito dependerá da investigação contínua, do desenvolvimento e de testes exaustivos das soluções de sharding.

FAQ

O que é o sharding e porque é que a blockchain precisa desta tecnologia?

O sharding divide a rede blockchain em várias partes para permitir o processamento paralelo de transações, aumentando a velocidade e a capacidade. As blockchains necessitam de sharding para gerir volumes crescentes de transações e aumentar a eficiência e a escalabilidade global.

Como funciona, na prática, o sharding? De que forma melhora a escalabilidade da blockchain?

O sharding segmenta as redes blockchain em fragmentos paralelos, possibilitando o processamento simultâneo de transações. Cada shard valida apenas as suas próprias transações, reduzindo a carga computacional por nó. Esta arquitetura paralela multiplica o débito transacional e a eficiência da rede.

Quais são os principais tipos de sharding e em que diferem o state sharding, o history sharding e o beacon chain sharding?

O state sharding distribui os dados de contas e contratos por vários shards. O history sharding reparte os registos históricos de transações. O beacon chain sharding recorre a uma cadeia coordenadora para gerir os validadores dos shards e o consenso, através de mecanismos próprios de seleção.

Que riscos e desafios acarreta o sharding? Como garantir a segurança deste modelo?

O sharding acrescenta complexidade e desafios de segurança, sobretudo na comunicação entre shards. A segurança é assegurada por controlos de acesso rigorosos, protocolos robustos, validação criptográfica e distribuição dos validadores pelos shards para mitigar ataques direcionados.

Quais as vantagens e desvantagens do sharding comparativamente a soluções de Layer 2 como Rollups e Sidechains?

O sharding oferece escalabilidade nativa ao permitir o processamento autónomo de transações em cada shard com a segurança da cadeia principal, mas implica maior complexidade. As soluções de Layer 2 são mais rápidas de implementar e apresentam custos mais baixos, mas dependem da validação na cadeia principal. O sharding proporciona escalabilidade de base; as Layer 2 rapidez de implementação.

Que projetos blockchain já implementaram ou estão a implementar tecnologia de sharding?

Ethereum 2.0, MultiversX e Zilliqa são exemplos de projetos que já implementaram ou estão a desenvolver tecnologia de sharding. Outros projetos continuam igualmente a explorar esta solução de escalabilidade.

De que forma o sharding afeta o desempenho, a descentralização e a experiência do utilizador na blockchain?

O sharding reforça substancialmente o desempenho da blockchain ao permitir o processamento paralelo de transações, aumentando o débito e reduzindo a latência. Mantém a descentralização ao distribuir a validação por múltiplos shards e melhora a experiência do utilizador, reduzindo o tempo de confirmação e as comissões.