Shards
Sharding is een techniek die door Ethereum wordt gebruikt om de schaalbaarheid te verbeteren door de blockchain op te splitsen in kleinere delen, zogenaamde ‘shards’. Hierdoor kan het netwerk meer transacties parallel verwerken, waardoor ze efficiënter kunnen worden uitgevoerd tegen lagere kosten.
Proto-danksharding
Een belangrijke ontwikkeling binnen de Ethereum roadmap is ‘Proto-danksharding’ (ook bekend als EIP-4844). Deze upgrade introduceert een nieuw type transactie dat zogenaamde ‘data-blobs’ toevoegt aan blokken. Deze blobs zijn tijdelijk en worden na ongeveer 18 dagen verwijderd, waardoor de opslagvereisten beheersbaar kunnen worden gehouden. Het voornaamste doel van Proto-danksharding is om zogenaamde ‘rollups’ (een layer 2-oplossing) in staat te stellen om data goedkoper op te slaan, waardoor de transactiekosten voor gebruikers kunnen worden verlaagd.
Danksharding
Danksharding bouwt voort op Proto-danksharding en vertegenwoordigt de volledige implementatie van sharding binnen het Ethereum-ecosysteem. Het vergroot het aantal blobs per blok van 6 naar 64, waardoor de capaciteit voor rollups aanzienlijk wordt verhoogd. Dit betekent dat Ethereum miljoenen transacties per seconden kan verwerken, wat noodzakelijk is voor een massale adoptie van blockchaintoepassingen. Danksharding vereist echter aanvullende protocolwijzigingen, zoals de implementatie van zogenaamde ‘proposer-builder separation’ en ‘data availability sampling’, om de efficiëntie en veiligheid te waarborgen.
Proposer-builder seperation
Proposer-builder seperation (PBS) is een mechanisme dat Ethereum veiliger en efficiënter maakt. Het scheidt de taken van blokvoorstel (proposing) en blokconstructie (building), waardoor wordt voorkomen dat individuele validators te veel macht krijgen over de blokinhoud. Ethereum gebruikt sinds The Merge een Proof of Stake (PoS)-mechanisme waarbij validators willekeurig worden gekozen om nieuwe blokken voor te stellen. Momenteel hebben deze proposers volledige controle over welke transacties in een blok komen. Dit maakt het systeem kwetsbaar voor zogenaamde MEV (Maximal Extractable Value)-aanvallen, waarbij proposers winst maken door transacties strategisch te ordenen.
MEV
MEV (Maximal Extractable Value) is de extra winst die validators kunnen behalen door transacties strategisch te orden. Deze situatie ontstaat wanneer bepaalde transacties meer opleveren door hun volgorde te manipuleren. Dit gebeurt vooral bij DeFi-platformen en gedecentraliseerde handelsbeurzen (DEXs). De meestvoorkomende vormen van dit soort manipulaties zijn ‘Arbitrage’, ‘sandwich-aanvallen’ en ‘liquidaties’. Bij arbitrage zoeken bots prijsverschillen tussen DEXs en kopen laag in om direct ergens anders te verkopen. Bij sandwich-aanvallen plaatst een bot een kooporder vóór een grote transactie en verkoopt deze daarna voor winst. Liquidatie MEV betekent dat validators liquidaties prioriteren op leenplatformen om de beloningen te innen.
Gas wars
Maximal Extractable Value zorgt voor hogere transactiekosten en maakt Ethereum minder eerlijk. Bots concurreren via zogenaamde ‘gas wars’, waardoor gewone gebruikers meer betalen. Een gasoorlog vindt plaats wanneer meerdere partijen tegelijk proberen om hun transacties als eerste in een blok te krijgen, en steeds hogere gas fees bieden om dat voor elkaar te krijgen. Hierdoor schieten de gasprijzen omhoog, en wie het meest betaalt, wint. Gas wars kun je als het ware beschouwen als een soort veiling op snelheid tussen transacties. De gasoorlogen worden doorgaans uitbesteed aan geavanceerde bots, die opereren via bundels in plaats van publiek concurreren in de mempool. Veel MEV vindt nu plaats in private kanalen (zoals flashbots), waardoor gewone gebruikers minder direct meedoen aan de gas wars, maar ze betalen er nog wel de prijs van (zoals hogere fees of latere executie).
Block builders
Doordat validators profiteren van MEV wordt centralisatie in de hand gewerkt. Met proposer-builder seperation (PBS) wil Ethereum MEV eerlijker verdelen. Met PBS wordt de controle van de proposers verplaatst naar gespecialiseerde ‘block builders’. Zij creëren optimaal geordende blokken en proposers kiezen simpelweg het meest waardevolle blok. Zo kiezen ze dus zonder manipulatie de beste optie. Hierdoor wordt de centralisatie van het netwerk verminderd en wordt voorkomen dat validators misbruik maken van hun positie. PBS zal waarschijnlijk deel uitmaken van toekomstige Ethereum-upgrades, zoals Danksharding.
Data availability sampling
Data availability sampling (DAS) is een techniek waarmee nodes op een blockchain kunnen controleren of alle blokdata beschikbaar is, zonder de volledige data te downloaden. Hierdoor wordt het netwerk efficiënter en schaalbaarder. In plaats van een volledig blok te downloaden vraagt een node willekeurige stukjes data op (kleine steekproeven). Als voldoende steekproeven succesvol zijn, kan de node met hoge zekerheid aannemen dat alle data beschikbaar is. Dit mechanisme biedt dus statistische zekerheid. DAS maakt het mogelijk dat ook kleine nodes zonder grote opslagcapaciteit bijdragen aan de veiligheid van de blockchain.
Grotere blokken
Wanneer Ethereum de Danksharding-upgrade introduceert worden de blokken veel groter. Zonder data availability sampling zouden nodes veel moeite hebben om al die data te verwerken. Met DAS kunnen ook lichte clients controleren of de data beschikbaar blijft, zonder dat ze de volledige blokken hoeven op te slaan. Dankzij DAS kan Ethereum miljoenen transacties per seconden ondersteunen, waardoor het netwerk sneller, veiliger en toegankelijker wordt voor iedereen.
KZG-commitments
Een belangrijk onderdeel van bovenstaande upgrades is het gebruik van zogenaamde ‘KZG-commitments’ voor het verifiëren van de data in blobs. Om deze commitments veilig te genereren heeft de Ethereum-community een ‘KZG-ceremonie’ uitgevoerd, waaraan meer dan 140.000 deelnemers hebben bijgedragen. Deze ceremonie zorgde voor de nodige cryptografische basis voor zowel Proto-danksharding als Danksharding.
Cryptografische bewijzen
KZG-commitments zijn cryptografische bewijzen die Ethereum gebruikt om gegevens efficiënt en veilig te verifiëren. Ze spelen een sleutelrol in Proto-danksharding en Danksharding, waar ze helpen bij data availability zonder dat elke node alle data hoeft op te slaan. De KZG-ceremonie was een wereldwijd cryptografisch experiment waarin duizenden deelnemers willekeurige bijdragen leverden om een vertrouwde setup te creëren. Dit proces garandeerde dat niemand de geheime waarden kent die in de KZG-community worden gebruikt. Als zelfs maar één deelnemer zijn bijdrage geheim hield of vernietigde, was het systeem veilig. Zonder een veilige setup zouden kwaadwillenden de cryptografie kunnen manipuleren en de integriteit van Ethereum kunnen schaden. De ceremonie zorgde ervoor dat Danksharding veilig kan werken en dat Ethereum schaalbaar blijft.
Dencun-upgrade
De implementatie van Proto-danksharding is dan ook een belangrijke mijlpaal op de Ethereum roadmap die werd voltooid met de ‘Cancun-Deneb’-netwerkupgrade (ook wel Dencun genoemd) op 13 maart 2024. De volledige implementatie (Danksharding) wordt in de komende jaren geïmplementeerd en zal Ethereum’s schaalbaarheid en efficiëntie nog verder verbeteren.
Sneller en schaalbaarder
Sharding wordt dan ook beschouwd als een zeer belangrijke stap naar een sneller en schaalbaarder Ethereum. Door transacties en data over meerdere shards te verdelen, blijft het netwerk efficiënt en toegankelijk. Proto-danksharding en danksharding brengen deze visie stap voor stap dichterbij. Met innovaties zoals KZG-commitments en data availability sampling wordt Ethereum veiliger en minder afhankelijk van dure hardware. De toekomst van blockchain draait immers om schaalbaarheid, en sharding is daarvoor een onmisbaar element.
Op de hoogte blijven van de ontwikkelingen op het gebied van blockchaintechnologie? Meld je dan nu aan voor de blogpost!