シャーディングとは何ですか? (ネットワークパーティショニング)

定義とコアコンセプト

1. シャーディングは、単一の論理データセットをシャードと呼ばれる複数の小さな独立したサブセットに分割する水平分割手法です。

2. 各シャードにはデータ全体の個別の部分が含まれており、独自の専用インフラストラクチャ ノード上で動作します。

3. 分散は、シャード間でのレコードの一貫した配置を保証する、決定的なルーティング ロジック (通常はシャード キーに基づく) に従います。

4. 垂直パーティションとは異なり、シャーディングは列を分離しません。すべてのシャードで同一のスキーマを維持しながら行を分離します。

5. シェアードナッシングアーキテクチャを具体化しています。シャードはメモリ、ディスク、CPU リソースを共有せず、シャード間の直接の状態同期も維持しません。

ブロックチェーンシステムへの応用

1. ブロックチェーン ネットワークでは、シャーディングによってネットワーク全体が並列サブネットワークに分割され、各サブネットワークがトランザクションのサブセットの処理とグローバル状態の一部の維持を担当します。

2. Zilliqa は、ディレクトリ サービス シャードと並行して 6 つのネットワーク シャードを展開し、各シャード内で pBFT を介した同時合意を可能にすることで、実用的な実装の先駆者となりました。

3. イーサリアムの計画されたシャーディング アップグレードは、バリデータ セットと状態ストレージを 64 のシャードに分割することでスケーラビリティをターゲットにし、ノードごとのストレージの負担を軽減し、スループットを向上させます。

4. シャード間の通信は依然として厳しく制限されています。複数のシャードに影響を与えるトランザクションには、非同期のファイナリティ証明と受信ベースの検証メカニズムが必要です。

5. 状態シャーディングでは、コントラクトコードが 1 つのシャードに存在し、その呼び出し元が別のシャードに存在する可能性があるため、アカウント残高の追跡とスマート コントラクトの実行に複雑さが生じます。

技術実装層

1. ネットワーク シャーディングは、バリデータ グループを素のサブセットに分離し、暗号化によるランダム性によって特定のシャードに割り当てて、共謀のリスクを軽減します。

2. トランザクション シャーディングは、送信者または受信者のアドレス ハッシュに基づいて受信操作を適切なシャードにルーティングし、局所性を意識した処理を保証します。

3. ステート シャーディングは、アカウントのステートとシャード全体のコントラクト ストレージを分割し、シャードごとのマークル化されたステート ルートとシャード間のステート コミットメントを必要とします。

4. データ可用性サンプリングにより、ライト クライアントは、ペイロード全体をダウンロードすることなく、完全なシャード ブロックが公開されていることを確率的に検証できます。

5. シャード再構成プロトコルは、多くの場合、エポックベースのローテーションとビーコン チェーンの調整を使用して、ノードのチャーンと負荷の再バランシングを処理します。

セキュリティへの影響とトレードオフ

1. 単一シャード内の悪意のある多数派がローカル状態を破壊する可能性があるため、シャード レベルのビザンチン フォールト トレランスが不可欠になります。

2. 適応型敵対モデルは、攻撃者が防御が不十分なシャードをターゲットにする可能性があることを想定しており、動的なステーク重み付けのサンプリングとスラッシュ条件が必要です。

3. ソースシャードと宛先シャードの両方に関係する複数ステップの確認パスにより、シャード間転送のファイナリティ遅延が増加します。

4. モノリシック チェーンと比較して、シャード レベルでの再組織化耐性が弱くなり、フォーク選択ルールと証明書に対するより厳しい制限が要求されます。

5. 暗号ソートは、多くのシャード設計における PoW ベースのエントリを置き換え、検証可能なランダム関数を使用してノードをシャードに安全に割り当てます。

よくある質問

Q1: シャーディングによりフルノードは不要になりますか?いいえ。完全なノードは依然としてシャードごとに存在しますが、その範囲はそのシャードの状態遷移とコンセンサス履歴の検証のみに限定されます。

Q2: スマート コントラクトは、別のシャードに保存されているデータと対話できますか?はい、ただし、そのような対話は非同期であり、遅延実行を保証した明示的なクロスシャードメッセージの受け渡しが必要です。

Q3: シャード間での二重支出はどのようにして防止されますか?厳密な送信者シャード アンカーリングを強制することで、各トランザクションは送信者のアカウントが存在するシャードから開始される必要があり、並行して競合する支出を防ぎます。

Q4: データベース シャーディングはブロックチェーン シャーディングに直接移行できますか?いいえ、データベース シャーディングは信頼できるインフラストラクチャと一元的な調整を前提としていますが、ブロックチェーン シャーディングは敵対的な条件下でトラストレスな一貫性と稼働性を強制する必要があります。