Что такое трилемма блокчейна?

Краткое содержание
Блокчейны могут обрабатывать только ограниченное количество транзакций в секунду. Сеть Биткойн, например, может обрабатывать около семи транзакций в секунду. Чтобы технология блокчейна была принята во всем мире, она должна иметь возможность обрабатывать гораздо больше данных и на более высокой скорости, чтобы больше людей могли использовать сеть, не становясь при этом слишком медленной или дорогой в использовании. Однако фундаментальная конструкция многих децентрализованных сетей означает, что повышение масштабируемости имеет тенденцию ослаблять децентрализацию или безопасность. Это так называемая трилемма блокчейна. Разработчики, которые хотят решить эту проблему, пробуют различные механизмы консенсуса и решения масштабируемости, такие как сегментирование, сайдчейны и каналы состояний.
ВведениеПроще говоря, блокчейн — это распределенная цифровая база данных. Блоки данных организованы в хронологическом порядке. Блоки связаны между собой и защищены криптографическими доказательствами. Внедрение этой технологии в различных отраслях уже меняет то, как мы работаем и живем.
Идея состоит в том, что децентрализованные и безопасные блокчейны позволяют создать мир, в котором мы не будем зависеть от третьих сторон в функционировании сетей или рынков. Однако эксперты в целом сходятся во мнении, что для более широкого распространения этой технологии необходимо сначала решить одну фундаментальную проблему: «трилемму блокчейна».
Соучредитель Ethereum Виталик Бутерин популяризировал этот термин. Чтобы понять это, вы должны знать о существовании трех элементов, которые желательны в блокчейне: децентрализация, безопасность и масштабируемость. Трилемма блокчейна — это идея о том, что блокчейнам трудно одновременно достичь оптимальных уровней всех трех свойств. Обычно, если увеличить оптимизацию одного элемента, другой будет ослаблен.
В этой статье мы проанализируем три элемента трилеммы и подробно объясним, что представляет собой каждый из них. Подробный анализ каждого из них и того, как они сочетаются друг с другом, позволяет нам лучше понять, как и почему существует трилемма блокчейна. В этой статье мы также осветим некоторые решения, предложенные разработчиками.
Что такое децентрализация?Биткойн и другие подобные сети блокчейнов имеют децентрализованную структуру. Вся структура организована таким образом, что нет одного ответственного лица или организации, а она децентрализована. Сетевой уровень открыт для всех, кто хочет принять участие. В результате контроль полностью распределяется, а не концентрируется на одном субъекте. У всех есть доступ к одним и тем же данным. Если кто-то попытается обмануть систему, изменив записи в свою пользу, остальные участники отвергнут ошибочные данные.
Это может быть весьма техническим вопросом, но давайте рассмотрим в качестве примера сеть Биткойн. Третьи лица, осуществляющие контроль, отсутствуют. Сравните это с потребностью традиционной финансовой системы в банках. Банки укрепляют доверие между людьми, совершающими транзакции, и обеспечивают надлежащее ведение всех записей. Однако сеть Биткойн передает все данные всем участникам сети, чтобы их можно было проверить и подтвердить перед добавлением в цифровую базу данных. В результате получается система, которая может существовать без необходимости участия третьих сторон.
Децентрализация предлагает возможность того, что известно как Web3. Прямо сейчас у нас есть Web2, современный Интернет. Он полон сайтов и приложений, контролируемых компаниями, но имеющих контент, созданный пользователями. Web3 — это следующий шаг. Интернет, в котором децентрализованная технология блокчейна позволяет людям контролировать свои собственные данные и свою онлайн-жизнь.
Однако следует учитывать одну вещь: из-за того, как работают эти распределенные системы, и в них должно быть большое количество участников, чтобы договориться о достоверности любых данных, время транзакций может быть медленным из-за способа обмена и обработки информации. По этой причине блокчейны должны масштабироваться, то есть иметь возможность обрабатывать больше данных с большей скоростью. Мы вернемся к этому моменту, когда будем говорить о масштабируемости.
Более того, мечта о децентрализации осуществима только в том случае, если лежащие в ее основе блокчейны безопасны. Если блокчейну не хватает безопасности, злоумышленник может взять под свой контроль и изменить данные в свою пользу. Это приводит ко второй части трилеммы: безопасности.
Что такое безопасность блокчейна?Если у блокчейна нет безопасности, не имеет значения, насколько он децентрализован. Хорошая сеть блокчейнов должна быть устойчивой к атакам злоумышленников. Централизованные системы основывают свою безопасность на том факте, что система закрыта. Тот, кто контролирует ситуацию, может обеспечить отсутствие помех в данных. Но как это достигается в децентрализованной системе, в которой может участвовать каждый?
Это сложная тема, но мы снова можем взять Биткойн в качестве примера безопасности децентрализованного блокчейна. Блокчейн Биткойна использует комбинацию криптографии и механизма сетевого консенсуса, называемого «Доказательство работы» (PoW). С точки зрения криптографии, каждый блок имеет какую-то цифровую подпись или хэш и подключен таким образом, что его нельзя подделать, поскольку любое изменение приведет к изменению хеша блока. Любая попытка изменить данные будет быстро обнаружена остальной частью сети.
Механизм консенсуса PoW — это еще одна часть головоломки. Помогает защитить реестр криптовалют. Для понимания консенсуса Proof of Work потребуется целая отдельная статья, но для наших целей имейте в виду, что члены сети могут проверять новые транзакции и добавлять их в реестр только посредством действия, называемого майнингом. Это предполагает использование вычислительной мощности для решения математических головоломок. Часть процесса требует, чтобы эти компьютеры выполняли различные функции хеширования. Это влияет на проблему масштабируемости, поскольку механизм PoW безопасен, но относительно медленный.
Он также считает, что чем больше участников (узлов) в сети, тем безопаснее она будет. Чем больше число сторон, тем сложнее злоумышленнику будет получить контроль над системой. Это относится к так называемой атаке 51%. Подводя итог, если одному объекту (или группе злоумышленников) удастся контролировать более 50% общей скорости хеширования сети в блокчейне, они могут обойти консенсус и изменить данные цепочки в своих интересах, например. , жетоны двойных расходов.
Проще говоря, безопасность является фундаментальным требованием для успешного блокчейна, поскольку без нее злоумышленники могут контролировать цепочку и сделать ее непригодной для использования.
Что такое масштабируемость?Масштабируемость относится к цели создания блокчейна, который может поддерживать все больше и больше транзакций в секунду. Чтобы технология блокчейна могла охватить более широкие слои общества и, возможно, миллиарды пользователей, она должна быть масштабируемой. Однако именно с этим сталкиваются большинство блокчейнов.
Это происходит потому, что децентрализация и безопасность настолько фундаментальны для блокчейна, что, как правило, являются первыми факторами, которые следует учитывать. Децентрализация имеет решающее значение для философии и целей технологии блокчейн, которая составляет основу наиболее признанных блокчейнов. Безопасность, как мы уже видели, является основным требованием для того, чтобы блокчейн был успешным и полезным.
Однако, если отдать приоритет децентрализации и безопасности, масштабируемость становится проблемой. Количество транзакций, которые может обработать цепочка, может быть очень ограниченным. Централизованная платежная система, такая как Visa, утверждает, что может обрабатывать до 24 000 транзакций в секунду. Поскольку сеть закрыта и ей не нужно беспокоиться о таких факторах, как публичные узлы и консенсус, это становится возможным. Сравните это с некоторыми из наиболее признанных блокчейнов.
По данным Bloomberg в 2022 году: «По состоянию на сентябрь этого года Биткойн мог обрабатывать не более семи транзакций в секунду, а Ethereum, вторая по популярности сеть, была ограничена примерно 15 в секунду — целая жизнь по сравнению с обычными биржами».
Как мы уже упоминали, скорость транзакций этих блокчейнов ограничена из-за того, как информация должна обрабатываться разными участниками, в зависимости от децентрализованной сети и характера самого механизма консенсуса PoW. Если все больше и больше людей в обществе начнут использовать технологию блокчейна, сети увязнут из-за ограниченного количества транзакций, которые они могут обработать.
Почему существует трилемма блокчейнаНаиболее очевидным и базовым решением этой проблемы является сокращение количества участников, которые фиксируют и добавляют данные в сеть для масштабирования и увеличения скорости. Но это ослабит децентрализацию, поскольку контроль будет передан небольшому числу участников. Аналогичным образом, это также отрицательно скажется на безопасности, поскольку меньшее количество участников означает большую вероятность подвергнуться нападению.
Вот трилемма: из-за связи между столь желанными свойствами децентрализации и безопасности фундаментальная конструкция работы блокчейна затрудняет его масштабирование. Если увеличить одно, то другое ослабнет. Как обеспечить масштабируемость, не нанося вреда децентрализации, безопасности или тому и другому?
Как решить трилемму блокчейнаУ этой трилеммы нет золотого решения. Однако, учитывая важность ее решения, внутри сообщества был разработан ряд различных подходов с интересными результатами. Давайте кратко рассмотрим некоторые из наиболее популярных разработок, чтобы лучше понять, что происходит в космосе:
1. Фрагментация или «шардинг»Это метод разделения блокчейнов (или других типов баз данных) на более мелкие, разделенные блокчейны, которые управляют конкретными сегментами данных. Такая настройка не позволяет одной цепочке обрабатывать все транзакции и взаимодействия в сети. Каждый разделенный блокчейн известен как осколок и имеет свой собственный реестр. Эти шарды могут обрабатывать свои собственные транзакции, но маяк или основной блокчейн управляет взаимодействием между шардами. Это делает шардинг обновлением масштабируемости сети уровня 1, поскольку это изменение основной сети блокчейна.
2. Другой механизм консенсусаОдна из причин, по которой эта трилемма существует в сети Биткойн, заключается в том, как консенсус PoW обеспечивает безопасность. Потребность в майнерах, криптографических алгоритмах и больших объемах децентрализованной вычислительной мощности приводит к созданию безопасной, но медленной системы. Поиск другого способа защиты консенсуса является одним из подходов к решению трилеммы. Это было одной из причин перехода Эфириума от механизма PoW к доказательству доли (PoS).
В блокчейнах PoS участники, участвующие в проверке транзакций, должны застейкать свои токены. Никаких узкоспециализированных горнодобывающих машин не требуется. Добавление большего количества валидаторов в сеть проще и доступнее. PoS — это лишь один из многих механизмов консенсуса, нацеленных на масштабируемость.
3. Решения уровня 2И сегментирование, и различные механизмы консенсуса известны как решения уровня 1. Они стремятся изменить фундаментальную структуру базовой сети. Но другие разработчики, желающие решить эту трилемму, работают над решениями, основанными на уже существующей сетевой структуре. Другими словами, они считают, что решение находится на втором уровне, или уровне 2. Примерами этого являются сайдчейны и каналы состояний.
Сайдчейн — это, по сути, отдельный блокчейн, который соединяется с основной цепочкой. Он настроен так, что активы могут свободно перемещаться между обоими блокчейнами. Важно отметить, что сайдчейн может работать по другим правилам, что обеспечивает большую скорость и масштабируемость. Аналогичным образом, каналы состояний — это еще один способ вывести транзакции из основной цепочки и снизить нагрузку на уровень 1. Канал состояний использует смарт-контракт вместо отдельной цепочки, чтобы позволить пользователям взаимодействовать друг с другом, не публикуя свои транзакции в блокчейне. Блокчейн записывает только начало и конец канала.
ВыводыТрилемма блокчейна мешает реализации его потенциала как технологии, меняющей мир. Если сети блокчейна смогут обрабатывать лишь небольшое количество транзакций в секунду для поддержания децентрализации и безопасности, массового внедрения будет трудно достичь. Однако решения, которые разработчики искали и предлагали для этой проблемы, предполагают, что технологические достижения, уже достигнутые с помощью блокчейна, будут продолжаться, и эти сети наверняка смогут обрабатывать гораздо больше данных в будущем.