샤딩(Sharding) 이란?

샤딩(Sharding)은 블록체인의 확장성 문제를 해결하기 위해 설계된 데이터베이스 및 네트워크 분할 기술입니다. 샤딩의 기본 개념은 네트워크 전체를 하나의 거대한 데이터베이스로 관리하는 대신, 데이터를 여러 개의 작은 그룹으로 나누어 저장하고 처리하는 것입니다. 이를 통해 네트워크가 더 많은 트랜잭션을 동시에 처리할 수 있게 하여 블록체인의 처리량을 확장하는 데 도움을 줍니다.

1. 샤딩의 기본 개념

블록체인은 전통적으로 모든 노드가 모든 트랜잭션을 확인하고, 전체 블록체인의 상태를 복제하는 구조입니다. 이러한 구조는 보안을 강화하지만, 트랜잭션 수가 증가할수록 네트워크의 확장성 문제가 발생하게 됩니다. 이 문제를 해결하기 위해 샤딩 기술이 도입되었습니다.

• 샤드(Shard): 샤딩의 기본 단위로, 네트워크를 분할한 하나의 독립적인 데이터 파티션입니다. 각 샤드는 네트워크의 전체 상태를 가지지 않고, 자신에게 할당된 데이터와 트랜잭션만을 관리합니다.
• 샤딩을 통한 병렬 처리: 네트워크 전체가 하나의 체인에 트랜잭션을 기록하는 것이 아니라, 여러 샤드가 독립적으로 트랜잭션을 처리하기 때문에 병렬 처리가 가능해집니다.

2. 샤딩의 종류

샤딩은 보통 데이터베이스 샤딩에서 비롯된 개념이며, 이를 블록체인 네트워크에 적용하여 다양한 형태로 발전되었습니다. 주요 샤딩 유형은 다음과 같습니다:

2.1 네트워크 샤딩 (Network Sharding)

• 네트워크 샤딩은 노드가 네트워크 내에서 서로 통신하는 방식을 최적화하기 위한 기술입니다. 전체 네트워크를 여러 개의 작은 그룹으로 나누어, 노드 간 통신 오버헤드를 줄이고 트랜잭션 검증을 분산시킵니다.
• 각 샤드는 자체 네트워크 그룹을 형성하고, 자신이 담당하는 트랜잭션만 처리하기 때문에, 전체 네트워크의 부담을 줄일 수 있습니다.

2.2 트랜잭션 샤딩 (Transaction Sharding)

• 트랜잭션 샤딩은 각 샤드가 특정 유형의 트랜잭션만 처리하는 방식입니다. 예를 들어, 특정 계정의 트랜잭션이나 특정 스마트 컨트랙트의 호출을 전담하는 샤드를 생성할 수 있습니다.
• 이를 통해 같은 트랜잭션이 여러 샤드에서 중복 처리되는 것을 방지하고, 트랜잭션 처리 효율을 높일 수 있습니다.

2.3 상태 샤딩 (State Sharding)

• 상태 샤딩은 각 샤드가 네트워크 상태(State)의 일부만을 저장하도록 하는 기술입니다.
• 모든 노드가 전체 블록체인 상태를 저장할 필요 없이, 샤드 내의 노드들이 자신의 할당된 데이터만 관리합니다.
• 예를 들어, 하나의 샤드는 특정 사용자 계정 및 스마트 컨트랙트 상태만을 저장하고, 나머지 상태에 대해서는 다른 샤드가 관리합니다.

3. 샤딩의 장점

1. 확장성 개선:
   • 샤딩을 통해 네트워크의 데이터와 트랜잭션을 여러 개의 샤드로 분할하면, 병렬 처리가 가능하여 전체 처리량이 증가합니다.
   • 트랜잭션 처리 속도와 네트워크의 용량이 증가하여 더 많은 사용자와 애플리케이션을 수용할 수 있습니다.
2. 노드의 부하 감소:
   • 샤딩을 통해 개별 노드는 전체 블록체인의 데이터를 저장할 필요가 없어, 저장 공간과 계산 자원이 절약됩니다.
   • 각 노드는 자신의 샤드와 관련된 데이터만을 저장하고 처리하므로, 노드의 하드웨어 요구 사항이 줄어듭니다.
3. 네트워크 분산화 강화:
   • 샤딩을 적용하면 개별 노드들이 담당하는 역할이 줄어들어, 네트워크가 확장될수록 더 많은 노드가 분산적인 방식으로 네트워크의 보안에 기여하게 됩니다.

4. 샤딩의 단점 및 해결 과제

1. 보안 문제:
   • 각 샤드가 네트워크의 일부만을 관리하기 때문에, 공격자가 특정 샤드에 대한 지배권을 얻으면 전체 네트워크의 보안에 위협이 될 수 있습니다. 이를 "샤드 간 공격(Cross-Shard Attack)"이라고 합니다.
   • 이를 해결하기 위해 검증인들을 주기적으로 다른 샤드로 재배치하거나, 다중 서명(Multi-signature) 방식을 적용하는 등의 방법이 제안되고 있습니다.
2. 샤드 간 커뮤니케이션:
   • 샤딩의 가장 큰 문제는 샤드 간의 데이터 이동입니다. 하나의 샤드에서 생성된 데이터가 다른 샤드에 전달되어야 하는 경우, 데이터 동기화와 커뮤니케이션 비용이 발생합니다.
   • 이를 해결하기 위해 다양한 프로토콜과 알고리즘이 사용됩니다. 예를 들어, 샤드 간 메시징 프로토콜이나, 상태 채널(State Channels)을 활용하여 데이터 이동을 최적화할 수 있습니다.
3. 복잡한 설계 및 구현:
   • 샤딩은 매우 복잡한 구조를 가지며, 네트워크의 유지 관리가 어렵습니다.
   • 샤드의 개수를 조정하거나, 새로운 샤드를 추가/제거할 때마다 전체 네트워크 상태가 영향을 받을 수 있기 때문에, 이를 동적으로 조정하는 메커니즘이 필요합니다.

5. 샤딩을 사용하는 블록체인 예시

1. 이더리움 2.0 (Ethereum 2.0)
   • 이더리움 2.0은 기존의 이더리움 네트워크의 확장성 문제를 해결하기 위해 샤딩 기술을 도입합니다.
   • 이더리움 2.0은 여러 개의 샤드 체인을 생성하여, 각 샤드가 독립적으로 트랜잭션을 처리하고 상태를 관리합니다.
     

     

     이더리움 샤딩

2. 니어 프로토콜 (NEAR Protocol)
   • 니어 프로토콜의 나이트셰이드(Nightshade) 샤딩 기술은 네트워크 전체를 분할하여 각각의 샤드가 독립적으로 트랜잭션을 처리할 수 있게 합니다.
   • 각 샤드는 전체 블록의 일부로 기록되지만, 독립적인 상태를 유지하여 네트워크의 병목 현상을 줄입니다.
3. 엘론드(Elrond)
   • 엘론드의 샤딩 구조는 상태 샤딩과 네트워크 샤딩을 결합하여, 트랜잭션 처리량을 높이고, 효율적인 노드 간 통신을 제공합니다.
4. 폴카닷(Polkadot)
   • 폴카닷의 파라체인(Parachain)은 샤드의 개념과 유사하게 독립적으로 운영되는 여러 체인들을 연결하여 병렬 처리를 지원합니다.

6. 결론

샤딩은 블록체인의 확장성 문제를 해결할 수 있는 매우 강력한 기술이지만, 보안성과 데이터 동기화 등의 여러 난제를 해결해야 합니다. 앞으로 더 많은 연구와 개발을 통해, 샤딩이 대중화되고 다양한 블록체인 네트워크에서 효과적으로 적용될 것으로 기대됩니다.