Sharding: Die Revolution für Daten und Blockchain

Was bedeutet Sharding?

Sharding ist ein Begriff aus der Informatik, der das Aufteilen der Speicherung von Daten in kleinere, handhabbarere Teile bezeichnet. Das Wort "Shard" bedeutet "ein kleiner Teil eines Ganzen". Sharding ist nützlich, wenn ein ungeshardetes System zu groß wird und anfängt, eine Verschlechterung der Leistung zu sehen.

Sharding wird oft in Datenbanken verwendet, um große Datenmengen über mehrere Computer hinweg zu speichern und zu verarbeiten. Ein einzelner Computer oder Datenbankserver kann nur eine begrenzte Datenmenge speichern und verarbeiten. Datenbank-Sharding überwindet diese Einschränkung, indem Daten in kleinere Stücke, sogenannte Shards, aufgeteilt und auf mehreren Datenbankservern gespeichert werden. Alle Datenbankserver verfügen in der Regel über dieselben zugrunde liegenden Technologien und arbeiten zusammen, um große Datenmengen zu speichern und zu verarbeiten.

Sharding wird auch in der Blockchain-Branche verwendet, um die Skalierbarkeit von Blockchain-Netzwerken zu verbessern, die große Mengen von Transaktionen verarbeiten müssen. In der Blockchain-Branche beschreibt Sharding die Aufteilung einer Blockchain in kleinere, flexiblere Blockchains, die mehr Transaktionen verarbeiten können.

In diesem Artikel werden wir erklären, was Sharding ist, wie es funktioniert, welche Vorteile es hat und welche Herausforderungen es mit sich bringt.

Wie funktioniert Sharding?

Um zu verstehen, wie Sharding funktioniert, müssen wir zunächst verstehen, wie eine ungeshardete Datenbank oder Blockchain funktioniert.

Eine ungeshardete Datenbank oder Blockchain ist eine zentrale Datenstruktur, die alle Daten an einem Ort speichert. Jeder Computer oder Knoten im Netzwerk hat eine vollständige Kopie der Datenbank oder Blockchain und muss jede Änderung validieren und synchronisieren. Dies gewährleistet die Konsistenz und Sicherheit der Daten, aber es begrenzt auch die Leistung und Skalierbarkeit des Systems.

Wenn die Datenmenge oder die Anzahl der Benutzer zunimmt, wird das System langsamer und anfälliger für Ausfälle oder Angriffe. Die Datenbank oder Blockchain muss mehr Rechenressourcen verbrauchen, um alle Daten zu speichern und zu verarbeiten. Außerdem muss jeder Knoten mehr Zeit aufwenden, um mit anderen Knoten zu kommunizieren und einen Konsens zu erzielen.

Sharding löst dieses Problem, indem es die Datenbank oder Blockchain in kleinere Teile aufteilt, die jeweils einen Teil der Gesamtdaten enthalten. Jeder Shard kann unabhängig von anderen Shards gespeichert und verarbeitet werden. Jeder Knoten muss nur einen oder einige Shards hosten und validieren, anstatt die gesamte Datenbank oder Blockchain. Dies reduziert den Speicher- und Rechenaufwand für jeden Knoten und ermöglicht eine schnellere Verarbeitung von Abfragen oder Transaktionen.

Sharding verbessert auch die Skalierbarkeit des Systems, da neue Shards hinzugefügt werden können, um mehr Daten oder Benutzer aufzunehmen. Die Anzahl der Knoten im Netzwerk kann ebenfalls erhöht werden, um mehr Rechenleistung bereitzustellen. Das System kann horizontal skalieren, d.h. es kann mehr Hardware hinzufügen, um mit dem Wachstum Schritt zu halten.

Es gibt verschiedene Arten von Sharding-Methoden, je nachdem, wie die Daten aufgeteilt werden. Die häufigsten sind:

• Horizontales Sharding: Die Daten werden nach Zeilen aufgeteilt. Jeder Shard enthält eine Teilmenge der Zeilen aus der gesamten Datenbank oder Blockchain. Zum Beispiel kann eine Datenbank von Kunden nach ihrem Wohnort aufgeteilt werden, so dass jeder Shard nur Kunden aus einer bestimmten Region enthält.
• Vertikales Sharding: Die Daten werden nach Spalten aufgeteilt. Jeder Shard enthält eine Teilmenge der Spalten aus der gesamten Datenbank oder Blockchain. Zum Beispiel kann eine Datenbank von Kunden nach ihren Interessen aufgeteilt werden, so dass jeder Shard nur bestimmte Informationen über die Kunden enthält.
• Geografisches Sharding: Die Daten werden nach ihrer geografischen Nähe aufgeteilt. Jeder Shard wird an einem physischen Standort gespeichert, der nahe an den Benutzern liegt, die auf die Daten zugreifen müssen. Zum Beispiel kann eine globale Blockchain in regionale Shards aufgeteilt werden, die jeweils in einem bestimmten Kontinent oder Land gehostet werden.

Welche Vorteile hat Sharding?

Sharding hat mehrere Vorteile für Datenbanken und Blockchain-Netzwerke, wie zum Beispiel:

• Verbesserung der Leistung: Sharding ermöglicht eine schnellere Verarbeitung von Abfragen oder Transaktionen, da jeder Shard weniger Daten enthält und weniger Knoten beteiligt sind. Die Latenz wird reduziert, da die Daten näher an den Benutzern gespeichert werden können. Die Reaktionszeit des Systems wird verbessert, was das Kundenerlebnis erhöht.
• Erhöhung der Skalierbarkeit: Sharding ermöglicht es dem System, mehr Daten oder Benutzer zu verarbeiten, indem neue Shards oder Knoten hinzugefügt werden. Das System kann mit dem Wachstum Schritt halten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Die Kosten für die Skalierung werden ebenfalls reduziert, da weniger teure Hardware benötigt wird.
• Verbesserung der Verfügbarkeit: Sharding erhöht die Ausfallsicherheit des Systems, da ein Ausfall eines Shards oder Knotens nicht das gesamte System beeinträchtigt. Die Daten können über mehrere Shards repliziert werden, um die Redundanz und Wiederherstellbarkeit zu erhöhen. Das System kann auch besser gegen Angriffe geschützt werden, da es schwieriger ist, alle Shards zu kompromittieren.

Welche Herausforderungen hat Sharding?

Sharding ist nicht ohne Herausforderungen. Es gibt einige Schwierigkeiten und Nachteile, die mit der Implementierung und dem Betrieb eines geshardeten Systems verbunden sind, wie zum Beispiel:

• Komplexität: Sharding erhöht die Komplexität des Systems, da es mehr Komponenten und Logik erfordert, um die Daten aufzuteilen und zu verwalten. Es ist schwieriger, das System zu entwerfen, zu implementieren und zu warten. Es können auch mehr Fehler oder Inkonsistenzen auftreten, wenn die Daten über mehrere Shards verteilt sind.
• Konsistenz: Sharding kann die Konsistenz der Daten beeinträchtigen, da es schwieriger ist, einen globalen Konsens über alle Shards hinweg zu erreichen. Es kann zu Verzögerungen oder Konflikten kommen, wenn die Daten zwischen den Shards synchronisiert werden müssen. Es kann auch zu Anomalien kommen, wenn Abfragen oder Transaktionen mehrere Shards betreffen.
• Sicherheit: Sharding kann die Sicherheit der Daten beeinträchtigen, da es mehr Angriffsfläche bietet. Jeder Shard kann ein potenzielles Ziel für Hacker sein, die versuchen könnten, die Daten zu stehlen oder zu manipulieren. Es kann auch schwieriger sein, die Privatsphäre der Benutzer zu schützen, wenn ihre Daten über mehrere Shards verteilt sind.

Wie wird Sharding in Blockchain-Netzwerken verwendet?

Sharding ist eine vielversprechende Lösung für das Skalierbarkeitsproblem von Blockchain-Netzwerken. Viele Blockchain-Projekte arbeiten daran, Sharding in ihre Protokolle einzubauen oder haben es bereits getan.

Ein prominentes Beispiel ist Ethereum 2.0, das eine Reihe von Upgrades für das Ethereum-Netzwerk darstellt. Eines dieser Upgrades ist die Einführung von Sharding als Mittel zur Erhöhung des Durchsatzes und der Effizienz des Netzwerks.

Ethereum 2.0 plant, das Netzwerk in 64 Shards aufzuteilen, die jeweOkay, I will continue the article from where I left off.

Ethereum 2.0 plant, das Netzwerk in 64 Shards aufzuteilen, die jeweils eine Teilmenge der Transaktionen und Smart Contracts verarbeiten können. Jeder Shard wird von einem Teil der Knoten im Netzwerk validiert, die als Validatoren bezeichnet werden. Die Validatoren werden zufällig den Shards zugewiesen und wechseln regelmäßig, um die Sicherheit zu erhöhen.

Die Shards werden mit der Beacon Chain verbunden, die eine zentrale Rolle im Ethereum 2.0-Netzwerk spielt. Die Beacon Chain ist verantwortlich für die Koordination und Kommunikation zwischen den Shards und die Verwaltung der Validatoren. Die Beacon Chain wird auch den Übergang von einem Proof-of-Work-Konsensalgorithmus (PoW) zu einem Proof-of-Stake-Konsensalgorithmus (PoS) ermöglichen, der weniger energieintensiv und umweltfreundlicher ist.

Ethereum 2.0 erwartet, dass Sharding die Skalierbarkeit des Netzwerks erheblich verbessern wird, indem es die Anzahl der Transaktionen pro Sekunde von etwa 15 auf Tausende erhöht. Dies wird es Ethereum ermöglichen, mehr Benutzer und Anwendungen zu unterstützen und seine Position als führende Plattform für dezentrale Anwendungen (DApps) zu stärken.

Ein anderes Beispiel ist Radix, das sich selbst als "die erste skalierbare dezentrale Ledger-Plattform" bezeichnet. Radix verwendet eine eigene Version von Sharding, die als "Cerberus" bezeichnet wird. Cerberus ist ein byzantinischer fehlertoleranter Konsensalgorithmus, der auf einem gerichteten azyklischen Graphen (DAG) basiert.

Cerberus teilt das Radix-Netzwerk in mehrere Shards auf, die jeweils eine Teilmenge der Transaktionen verarbeiten können. Jeder Shard hat seine eigene Teilmenge von Knoten, die als Nodes bezeichnet werden. Die Nodes validieren die Transaktionen innerhalb ihres Shards und kommunizieren mit anderen Nodes über den DAG.

Cerberus ermöglicht es dem Radix-Netzwerk, mehrere Shards parallel zu verarbeiten, ohne einen globalen Konsens zu benötigen. Dies erhöht die Skalierbarkeit und Leistung des Netzwerks erheblich. Cerberus kann auch komplexe Transaktionen verarbeiten, die mehrere Shards betreffen, indem er sie in kleinere Teile aufteilt und sie über den DAG koordiniert.

Radix behauptet, dass Cerberus das Netzwerk in der Lage macht, Millionen von Transaktionen pro Sekunde zu verarbeiten, ohne an Sicherheit oder Dezentralisierung zu verlieren. Dies wird es Radix ermöglichen, eine Plattform für den Aufbau von DApps zu sein, die eine hohe Skalierbarkeit und Geschwindigkeit erfordern.

Fazit

Sharding ist eine vielversprechende Technologie, die das Potenzial hat, die Leistung und Skalierbarkeit von Datenbanken und Blockchain-Netzwerken zu verbessern. Sharding ermöglicht es, große Datenmengen in kleinere Teile aufzuteilen und sie über mehrere Computer hinweg zu speichern und zu verarbeiten.

Sharding hat jedoch auch einige Herausforderungen und Nachteile, wie zum Beispiel die erhöhte Komplexität, die verringerte Konsistenz und die reduzierte Sicherheit. Es erfordert auch eine sorgfältige Planung und Implementierung, um sicherzustellen, dass das System effizient und zuverlässig funktioniert.

Sharding ist noch eine relativ neue Technologie in der Blockchain-Branche, aber viele Projekte arbeiten daran, sie in ihre Protokolle einzubauen oder haben es bereits getan. Sharding könnte eine wichtige Rolle bei der Lösung des Skalierbarkeitsproblems von Blockchain-Netzwerken spielen und ihnen ermöglichen, mehr Benutzer und Anwendungen zu unterstützen.

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