Шардинг в TON: как идея из 90-х помогла масштабировать блокчейн — и решить главную проблему этой технологии

Telegram Open Network (сокращенно TON) придумал Павел Дуров вместе с братом Николаем, кандидатом физико-математических наук и гениальным программистом. Именно Николай разработал первую версию мессенджера Telegram для переписки с Павлом, а после —  протокол шифрования MTProto, который использует Telegram. 

Свое видение блокчейна TON Николай Дуров изложил в вайтпейпере в 2019 году. Главной задачей TON братья видели монетизацию Telegram. Однако запустить платформу не удалось, Дуровы отказались от идеи и сделали код блокчейн-платформы открытым для всех желающих. 

С этого момента продукт начали развивать независимые разработчики со всего мира. Позднее они создали сообщество TON Foundation, которое сегодня поддерживает технологию и проекты в экосистеме TON. 

TON — это криптоэкосистема, которую развивает независимое сообщество на базе технологии, разработанной Telegram. 

У TON есть своя монета — она называется Toncoin. 

Более подробно о TON мы рассказывали в этом материале. 

Тесная интеграция с Telegram, смарт-контракты нового поколения, анонимность, скорость транзакций, низкая комиссия делают TON уникальной и многообещающей технологией, выделяя ее среди остальных. 

Интеграция с Telegram. Связка с популярным мессенджером обеспечивает удобный и быстрый доступ к TON для миллионов пользователей по всему миру. 

Смарт-контракты нового поколения. TON использует продвинутую систему смарт-контрактов. Она позволяет создавать сложные децентрализованные приложения (DApps) и автоматизировать финансовые операции, открывая новые возможности для бизнеса и технологий.

Встроенная анонимность. Одно из ключевых отличий TON от многих других блокчейнов — внимание к конфиденциальности транзакций и анонимности пользователей. Различные технологии шифрования и анонимизации делают TON привлекательным для пользователей, которым важна конфиденциальность.

Низкая комиссия. Пользователи TON могут проводить микроплатежи с низкой комиссией, что делает этот блокчейн идеальной платформой для массовых микротранзакций в интернете, например, платежей за контент и использование сервисов с оплатой за действие.

Это возможно благодаря технологии TON Payments — мы рассказывали о ней в этом материале. 

Участие в экосистеме. Помимо криптовалюты TON предлагает пользователям другие возможности: облачные хранилища, анонимные сети, DNS и другие технологии. Это делает TON не просто блокчейном для транзакций, но и полноценной экосистемой для разработки и использования разнообразных децентрализованных сервисов.

Гибкость и адаптивность. Благодаря уникальной архитектуре TON умеет адаптироваться под текущие потребности рынка и технологические тренды, обеспечивая гибкость и возможность внедрения новых функций без существенного воздействия на производительность и безопасность сети.

Быстрота транзакций. TON официально считается самым быстрым блокчейном в мире. В 2023 году TON установил мировой рекорд по скорости транзакций: за секунду сеть обработала более 104 тысяч переводов. Это стало возможным благодаря шардингу.

Шардинг — это разделение данных на несколько частей для того, чтобы снизить нагрузку на сеть и увеличить скорость обработки операций. Эти части данных называются шардами. Каждый шард содержит уникальный набор данных, делая базу данных более эффективной и масштабируемой. 

Концепция шардинга появилась в конце 1990-х, когда этот метод начали использовать для управления централизованными базами данных.

До блокчейна шардинг применялся для распределения баз данных по разным серверам. Например, в бизнесе, когда информацию с одного сервера переносили на другие сервера, упорядочивая ее по определенным признакам. При этом нагрузка на конкретный сервер уменьшалась — происходило масштабирование. 

Чтобы понять принцип работы шардинга, рассмотрим простой пример.

Еще пример. Допустим, блокчейн — это огромная библиотека. Если хранить все книги в одном гигантском зале, будет сложно найти нужную. Поэтому мы разделяем библиотеку на несколько комнат, то есть шардов. В каждой комнате хранятся книги определенного жанра: в одной — научная фантастика, в другой — исторические романы. И так далее.

Когда посетитель приходит в библиотеку за нужной книгой, он направляется в соответствующую комнату. Это сильно ускоряет процесс поиска, так как не нужно больше перерывать всю библиотеку — достаточно искать в одной маленькой комнате. Администраторы библиотеки могут добавлять новые комнаты по мере необходимости, чтобы пополнять библиотеку и размещать больше книг без потери производительности.

Создатели блокчейна как инновационной технологии не фокусировались на проблеме масштабирования. На тот момент было непонятно, сработает идея или нет, поэтому важнее было продумать механизмы, которые обеспечивают максимальную степень защиты в угоду быстродействию и энергоэффективности. 

Когда независимые разработчики взялись за TON, перед ними встало несколько ключевых проблем. 

• Масштабируемость. В традиционной блокчейн-системе каждую транзакцию обрабатывает вся сеть Это ограничивает количество транзакций, которые можно обработать в единицу времени, а также увеличивает время и стоимость транзакций при росте сети.
• Производительность. С ростом числа пользователей и транзакций в традиционных блокчейнах производительность сети начинает снижаться из-за перегрузки. Из-за этого появляются задержки в обработке транзакций, а комиссии увеличиваются.
• Энергопотребление. Большие и централизованные блокчейн-сети часто сталкиваются с высоким энергопотреблением, так как им необходимо поддерживать работу всех узлов сети. Это не только дорого, но вредно для окружающей среды.
• Доступность. Когда нагрузка на сеть увеличивается, вероятность отказа или замедления работы повышается. Из-за этого блокчейн становится менее доступным для пользователей.

Из-за этих проблем TON было бы сложно использовать на глобальном уровне. Но разработчики нашли решение в виде шардинга.

Наряду с этим шардинг предоставляет блокчейну TON следующие возможности:  

• обработка транзакций распределяется по разным узлам, то есть шардам, что снижает нагрузку на каждый отдельный узел и ускоряет обработку транзакций в целом;
• с каждым добавленным шардом пропускная способность сети увеличивается, позволяя обрабатывать больше транзакций одновременно делая блокчейн доступным для растущего числа пользователей и операций;
• благодаря более эффективной обработке транзакций затраты на них снижаются, и блокчейн становится более экономически выгодным для пользователей;
• распределенная архитектура через шардинг повышает устойчивость сети к отказам и атакам, обеспечивая более высокий уровень доступности и безопасности для пользователей. 

Важно. Шардинг в блокчейне использует не только TON. Например, такой инструмент есть в дорожной карте Ethereum на пути к переходу к обновленной версии экосистемы. 

Подход, который использует TON, основан на шардинге и дополнительно усилен уникальной архитектурой блокчейна, известной как бесконечный шардинг. 

Парадигма бесконечного шардинга позволяет блокчейну параллельно обрабатывать разные транзакции и смарт-контракты и масштабироваться практически бесконечно. Это обеспечивает высокую скорость транзакций и доступность технологии, когда пользователей становится все больше и больше. 

Основная идея состоит в том, чтобы разделить данные и транзакции на множество мелких блокчейнов, то есть шардов, которые могут обрабатываться параллельно. Это значительно повышает общую производительность сети, поскольку каждый шард способен обрабатывать транзакции независимо от остальных.

Чем больше нагрузка на сеть, тем на более мелкие части делятся данные. Когда нагрузка снижается, шарды снова объединяются. Разделение и объединение происходит автоматически. 

Блокчейн TON делится на три уровня: мастерчейн, воркчейны и шардчейны. 

Мастерчейн — это основной блокчейн. Он один и ему подчиняется вся система.

Воркчейны — это рабочие блокчейны, которые занимаются обработкой определенных типов транзакций. Воркчейн отвечает за группировку данных в шардчейны. 

Шардчейны — это маленькие блокчейны, в каждом из которых происходят транзакции своих аккаунтов. Именно шардчейны обеспечивают условно бесконечную масштабируемость TON, разделяясь на множество шардов при возрастании нагрузки на систему, а потом соединяясь обратно.

Каждый узел в TON отвечает за хранение и проверку только своих данных, а не данных всего блокчейна. Источник: tonblockchain.ru

Вот примеры, которые помогут понять, как устроен шардинг в TON, как происходит разделение на шарды и объединение шардов. 

Пример 1. Общий принцип шардинга в TON. Представим, что TON — это большой город. Шардинг в TON — это как разделение большого города на районы. Вместо того, чтобы один мэр управлял всем городом, каждый район имеет своего управляющего, который заботится о местных делах. 

Мастерчейн — это городская администрация. Она координирует работу всех районов, обеспечивая общий порядок и согласованность действий.

Воркчейны — это разные отделы в администрации районов. Каждый отдел отвечает за свою специфическую область, например, за образование и здравоохранение.

Шардчейны — это районы города. Каждый район занимается своими делами, но при этом они все подчиняются общим правилам и городской администрации.

Пример 2. Разделение на шарды в TON. Представим, что есть большая многоэтажка, в которой каждый подъезд — это шард. 

Жители подъезда общаются между собой, решают повседневные вопросы — это транзакции внутри шарда. При этом все подъезды находятся в одном здании и подчиняются общим правилам совета жильцов дома, то есть мастерчейну. 

Если в одном подъезде происходит что-то важное и касается всего дома, информация передается в совет жильцов, который затем информирует остальные подъезды, то есть шарды.

Пример 3. Объединение шардов в TON. Бывает, что надо решить вопрос, который требует согласия или участия жителей всех подъездов. Например, согласовать установку новой детской площадки. 

Информация и решения собираются от представителей каждого подъезда и передаются в совет жильцов.

После этого совет жильцов координирует действия и обеспечивает, чтобы решение было выполнено в интересах всего дома. 

Выходит, что каждый подъезд — он же шард — функционирует автономно, но важные решения согласовывают и принимают на уровне всего дома, то есть мастерчейна.

• Идея TON появилась в 2018 году у Павла Дурова, но вскоре он отказался от проекта и его начали развивать независимые разработчики со всего мира. 
• Главные преимущества TON — это интеграция с Telegram, смарт-контракты нового поколения, анонимность, скорость транзакций, низкая комиссия. 
• В 2023 году TON стал самым быстрым блокчейном в мире. 
• Шардинг — это разделение данных на несколько частей для того, чтобы снизить нагрузку на сеть и увеличить скорость обработки операций.
• Концепция шардинга появилась задолго до появления блокчейна и успешно использовалась в бизнесе, электронике и других сферах. 
• Подход, который использует TON, основан на шардинге и дополнительно усилен уникальной архитектурой блокчейна, известной как бесконечный шардинг. 
• При динамическом шардинге данные разделяются и объединяются автоматически в зависимости от нагрузки на блокчейн. 
• Благодаря шардингу TON обрабатывает транзакции и другие операции более эффективно, а блокчейном могут пользоваться множество людей одновременно. 
• Шардинг в TON — это как разделение большого города на районы. Вместо того, чтобы один мэр управлял всем городом, каждый район имеет своего управляющего, который заботится о местных делах.