TL;DR

Blockchainy jsou schopny zpracovat omezený počet transakcí za sekundu. Například bitcoinová síť dokáže zpracovat přibližně sedm transakcí za sekundu. Pokud je cílem globální přijetí technologie blockchain, musí být schopna zpracovat mnohem větší objem dat a nabízet rychlejší transakce. Tímto způsobem může síť používat více lidí bez zpomalení nebo vysokých nákladů. Avšak návrh mnoha decentralizovaných sítí způsobuje, že rostoucí škálovatelnost snižuje decentralizaci nebo bezpečnost. Tento problém je známý jako blockchainové trilema. Vývojáři, kteří se snaží tento problém vyřešit, experimentují s různými mechanismy konsenzu a řešeními škálovatelnosti, jako je sharding, postranní řetězce a stavové kanály.

Zavedení

V základních termínech je blockchain distribuovaná digitální databáze. Tyto datové bloky jsou uspořádány v chronologickém pořadí. Bloky jsou propojeny a chráněny kryptografickými důkazy. Implementace této technologie v různých odvětvích již změnila způsob, jakým pracujeme a žijeme. 

Myšlenka je taková, že decentralizované a bezpečné blockchainy nabízejí svět, kde se při fungování sítí nebo trhů nemusíme spoléhat na třetí strany. Většina odborníků se však shoduje na tom, že pokud má být tato technologie rozšířena, je zde zásadní problém, který je třeba řešit. Dotyčný problém je známý jako „blockchainové trilema“.

Tento termín zpopularizoval spoluzakladatel Etherea Vitalik Buterin. Odkazuje na tři žádoucí prvky v blockchainu: decentralizace, bezpečnost a škálovatelnost. Blockchainové trilema odkazuje na myšlenku, že pro blockchain je obtížné dosáhnout optimální úrovně všech tří těchto vlastností současně. Soustředění na jeden z nich obvykle způsobí oslabení druhého.

V tomto článku se budeme zabývat třemi prvky trilematu a každý z nich podrobněji vysvětlíme. Diskutováním o detailech a vlivu každého prvku na druhý lépe porozumíme blockchainovému trilematu a jeho možným příčinám. Podíváme se také na některá řešení navržená vývojáři.

Co je decentralizace?

Bitcoin blockchain a další podobné sítě jsou navrženy tak, aby byly decentralizované. Struktura byla vytvořena tak, že za ni není odpovědná žádná osoba ani organizace. Naopak jde o zcela decentralizovanou strukturu. Síť je otevřená každému, kdo se chce zúčastnit. Proto je kontrola plně rozdělena a není v držení jediného subjektu. Všichni mají přístup ke stejným datům. Pokud se někdo pokusí ošidit systém změnou záznamů ve svůj prospěch, zbytek účastníků odmítne zmanipulovaná data.

Toto téma může být docela technické, ale jako příklad použijme bitcoinovou síť. Nekontroluje to žádná třetí strana. Srovnejte to s potřebou bank ve finančním systému. Banky budují důvěru mezi lidmi, kteří provádějí transakce, a zajišťují správné vedení všech záznamů. Bitcoinový blockchain však všechna tato data sdílí se všemi v síti, aby je bylo možné ověřit a potvrdit. Jakmile je toto provedeno, jsou přidány do digitální databáze. Výsledkem je systém schopný fungovat bez potřeby třetích stran.

Decentralizace umožňuje rozvoj tzv. Web3. V současné době jsme uživateli Web2 — dnešního internetu. Web2 má mnoho webových stránek a aplikací řízených společnostmi, ale s obsahem vytvořeným uživateli. Web3 je dalším krokem. Web3 je internet, kde decentralizovaná technologie blockchainu umožňuje lidem ovládat svá vlastní data a své životy online. 

Je však důležité poznamenat, že vzhledem k tomu, jak tyto distribuované systémy fungují – s velkým počtem účastníků, kteří se musí dohodnout na platnosti jakýchkoli dat – může být doba transakce pomalá, protože je potřeba sdílet a zpracovávat spoustu informací. Proto musí blockchainy nabízet škálovatelnost, to znamená, že musí být schopny rychleji zpracovat více dat. K tomuto tématu se vrátíme, až budeme probírat škálovatelnost.

Navíc sen o decentralizaci je platný pouze tehdy, jsou-li základní blockchainy bezpečné. Pokud blockchain postrádá zabezpečení, může uživatel se zlými úmysly převzít kontrolu a změnit data ve svůj prospěch. Tím se dostáváme k druhému prvku trilematu: bezpečnosti.

Co je bezpečnost v blockchainu?

Nezáleží na tom, jak decentralizovaný blockchain je, pokud nemá zabezpečení. Dobrá blockchainová síť musí být odolná vůči útokům ze strany škodlivých subjektů. Centralizované systémy odvozují svou bezpečnost od skutečnosti, že se jedná o uzavřené systémy. Kdo má kontrolu, může zajistit, že data nebudou rušena. Jak je to ale možné v decentralizovaném systému, kde se může zúčastnit kdokoli?

Je to složité téma, ale jako příklad bezpečného a decentralizovaného blockchainu můžeme opět použít Bitcoin. Bitcoinový blockchain využívá kombinaci kryptografických prvků a konsenzuálního mechanismu zvaného Proof of Work (PoW). Z hlediska kryptografie má každý blok typ digitálního podpisu (neboli hash). Každý blok dat je propojen způsobem, do kterého nelze zasahovat, protože jakákoli změna by změnila hash bloku. Jakýkoli pokus o změnu dat by zbytek sítě rychle identifikoval.

Mechanismus konsenzu PoW je další částí skládačky. Pomáhá zabezpečit účetní knihu kryptoměn. Vysvětlení Proof of Work by zabralo celý článek, ale pro účely tohoto článku mějte na paměti, že členové sítě mohou ověřovat nové transakce a přidávat je do hlavní knihy pouze prostřednictvím činnosti známé jako těžba. Tento proces zahrnuje použití výpočetního výkonu k vyřešení matematického problému. Část procesu vyžaduje, aby počítače prováděly různé hashovací funkce. To přispívá k otázce škálovatelnosti, protože mechanismus PoW je bezpečný, ale relativně pomalý.

Všimněte si také, že čím více účastníků (uzlů) je v síti, tím vyšší bude úroveň zabezpečení. Čím větší je počet účastníků, tím obtížnější je pro uživatele se zlými úmysly převzít kontrolu nad systémem. To pomáhá zabránit možnému 51% útoku. Pro přehled: pokud jedna entita (nebo skupina špatných aktérů) kontroluje více než 50 % celkové hashovací frekvence blockchainu, mohla by potlačit mechanismus konsensu a změnit data blockchainu ve svůj vlastní prospěch, například dvojitým utrácením tokenů. 

Stručně řečeno, bezpečnost je základním požadavkem, aby byl blockchain úspěšný, protože bez něj mohou útočníci převzít kontrolu nad blockchainem a učinit jej zbytečným.

Co je škálovatelnost?

Termín škálovatelnost odkazuje na cíl vybudovat blockchain, který dokáže podporovat více transakcí za sekundu. Škálovatelnost je nezbytná k tomu, aby technologie blockchain sloužila společnosti jako celku a potenciálně miliardám uživatelů. Ale to je místo, kde mnoho blockchainů stále bojuje. 

Je to proto, že prvky decentralizace a bezpečnosti jsou pro blockchain tak zásadní, že mají tendenci přitahovat největší pozornost. Decentralizace je tak zásadní pro étos a cíle blockchainu, že je často primárním cílem nejuznávanějších blockchainů. Bezpečnost, jak jsme diskutovali, je základním požadavkem, aby byl blockchain úspěšný a užitečný.

Při upřednostňování decentralizace a bezpečnosti se však škálovatelnost stává výzvou. Počet transakcí, které je blockchain schopen zpracovat, lze výrazně snížit. Centralizovaný platební systém, jaký společnost Visa tvrdí, že je schopen zpracovat 24 000 transakcí za sekundu. Je to proto, že síť je uzavřená a nespoléhá se na úvahy veřejného uzlu a konsensus. Porovnejte to s některými z nejznámějších blockchainů. 

Podle agentury Bloomberg v roce 2022: „Od září bitcoiny nezvládnou více než sedm transakcí za sekundu a Ethereum, druhá nejoblíbenější síť, má limit asi 15 transakcí za sekundu – životnost v porovnání s konvenčními burzami.“

Jak již bylo zmíněno, tyto rychlosti blockchainových transakcí jsou omezené kvůli způsobu, jakým informace musí zpracovávat různí účastníci, kteří tvoří decentralizovanou síť, a také kvůli povaze samotného mechanismu konsenzu PoW. Pokud technologii blockchain začne používat stále více lidí, sítě se zahltí kvůli omezenému počtu transakcí, které lze zpracovat.

Proč existuje blockchainové trilema?

Nejviditelnějším a nejzákladnějším řešením výše popsaného problému je snížení počtu účastníků, kteří potvrzují a přidávají data do sítě, výměnou za větší škálovatelnost a rychlost. To by však poškodilo faktor decentralizace, protože kontrola by byla v rukou menšího počtu účastníků. Oslabilo by to také bezpečnost, protože méně účastníků by znamenalo větší šanci na útoky.

Takže tady je trilema: vzhledem k kompromisu mezi požadovanými vlastnostmi decentralizace a bezpečnosti je základní design toho, jak blockchain funguje, obtížné škálovat. Zlepšením jednoho oslabíte druhého. Jak zvýšit škálovatelnost bez ohrožení decentralizace, zabezpečení nebo obojího? 

Řešení blockchainového trilematu

Neexistuje jediné zázračné řešení trilematu. Ale vzhledem k důležitosti řešení tohoto problému se v komunitě objevila řada různých přístupů se zajímavými výsledky. Pojďme se podívat na některé z nejpopulárnějších vývojových trendů, abychom vám porozuměli tomu, co se děje v tomto odvětví:

1. Stříhání

Jedná se o metodu rozdělení blockchainů (nebo jiných typů databází) na menší, rozdělené blockchainy, které spravují specifické segmenty dat. Toto nastavení eliminuje potřebu jediného blockchainu pro zpracování všech transakcí a interakcí v rámci sítě. Každý rozdělený blockchain je známý jako shard a má svou vlastní účetní knihu. Tyto úlomky jsou schopny zpracovávat své vlastní transakce, ale interakce mezi úlomky spravuje beacon blockchain nebo hlavní řetězec. Díky tomu je sharding upgradem škálovatelnosti sítě Layer-1, protože jde o změnu hlavní sítě blockchainu.

2. Jiné mechanismy konsenzu

Jedním z důvodů, proč v bitcoinové síti existuje trilema, je způsob, jakým PoW pracuje na zajištění bezpečnosti. Potřeba těžařů, šifrovacích algoritmů a obrovského množství decentralizovaného výpočetního výkonu vede k bezpečnému, ale pomalému systému. Nalezení jiného způsobu, jak zajistit konsenzus, je jedním z přístupů k řešení trilematu. To byl jeden z důvodů přechodu Etherea z PoW k Proof of Stake (PoS).

V blockchainech PoS musí účastníci zapojení do ověřování transakcí vsadit (uzamknout) své tokeny. Není potřeba vysoce specializovaných těžebních strojů. Přidání dalších validátorů do sítě je jednodušší a dostupnější. PoS je jen jedním z mnoha různých přístupů k mechanismům konsensu, které usilují o škálovatelnost. 

3. Layer-2 Solutions

Jak sdílení, tak různé mechanismy konsenzu jsou známé jako řešení vrstvy 1. Snaží se změnit základní design základní sítě. Ale jiní vývojáři, kteří chtějí vyřešit toto trilema, pracují na řešeních, která staví na existujícím síťovém rámci. Jinými slovy, myslí si, že odpověď leží ve druhé vrstvě, tedy v řešeních na druhé vrstvě. Příklady tohoto zahrnují postranní řetězce a stavové kanály.

Sidechain je v podstatě samostatný blockchain připojený k hlavnímu řetězci (hlavnímu blockchainu). Je nastaven tak, aby aktiva mezi nimi mohla volně proudit. Je důležité si uvědomit, že postranní řetězec může fungovat podle jiných pravidel než hlavní řetězec, což umožňuje vyšší rychlost a škálovatelnost. Podobně státní kanály nabízejí další způsob, jak odstranit transakce z hlavního řetězce a odlehčit pracovní zátěž Layer-1. Namísto samostatného blockchainu státní kanál používá chytrou smlouvu, která uživatelům umožňuje vzájemnou interakci bez zveřejňování jejich transakcí do blockchainu. Blockchain zaznamenává pouze počáteční a konečný stav státního kanálu.

Závěrečné úvahy

Trilemma škálovatelnosti brání blockchainu v naplnění jeho potenciálu jako technologie měnící svět. Pokud jsou blockchainové sítě schopné zpracovat pouze malý počet transakcí za sekundu, aby byla zachována decentralizace a bezpečnost, bude obtížné dosáhnout masového přijetí. Řešení prezentovaná vývojáři, kteří se snaží tento problém vyřešit, však naznačují, že technologický pokrok, který již technologie blockchain dosáhla, je na správné cestě. V budoucnu budou sítě schopny zpracovat mnohem větší objem dat.