Масштабируемость блокчейна
Базовая структура децентрализованных сетей блокчейна в настоящее время сталкивается с уникальной проблемой, называемой трилеммой блокчейна: балансированием между децентрализацией, безопасностью и масштабируемостью в инфраструктуре блокчейна.
Децентрализация блокчейна означает значимое распределение вычислительной мощности и консенсуса по всей сети. В то время как безопасность отражает защиту протокола блокчейна от злоумышленников и кибератак. Оба считаются незаменимыми для функционирования сети блокчейн.
Масштабируемость означает способность сети блокчейн поддерживать высокую пропускную способность транзакций и будущий рост. Масштабируемость важна, поскольку она представляет собой единственный способ для сетей блокчейнов разумно конкурировать с централизованными платформами с быстрым временем расчетов.
Обычно используемое сравнение, чтобы указать на пробелы в масштабируемости, заключается в том, что Биткойн обрабатывает от 4 до 7 транзакций в секунду (TPS). С другой стороны, Visa обрабатывает тысячи TPS. Чтобы конкурировать с этими существующими системами, технология блокчейна должна соответствовать этому высокому уровню масштабируемости или превосходить его.
Решения масштабирования уровня 1 и уровня 2 были созданы для решения этих проблем.
Основные понятия уровня 1 и уровня 2
Уровень 1 (Уровень 1) относится к базовой цепочке блоков, такой как Биткойн, Эфириум.
Уровень 2 (Уровень 2) — это оверлейный сетевой уровень, расположенный на базовых блокчейнах, таких как Lightning Network, Polygon... и который можно использовать с блокчейном уровня 1.
Решение для расширения уровня 1
Решения для масштабирования уровня 1 расширяют базовый уровень самого протокола блокчейна для улучшения масштабируемости.
Вот как работает уровень 1: Решения уровня 1 напрямую изменяют правила протокола, увеличивая пропускную способность и скорость транзакций, одновременно охватывая больше пользователей и данных.
Решения по масштабированию уровня 1 могут повлечь за собой такие требования, как увеличение объема данных, содержащихся в каждом блоке, или увеличение скорости подтверждения блоков, чтобы увеличить общую пропускную способность сети.
Два популярных решения уровня 1:
Изменить протокол консенсуса
Шардинг
Изменить протокол консенсуса
Доказательство работы (PoW) — это консенсусный протокол, который в настоящее время используется в популярных блокчейнах, таких как Биткойн. Хотя PoW безопасен, он медленный. Вот почему многие новые блокчейны отдают предпочтение механизму консенсуса Proof of Stake (PoS).
Вместо того, чтобы требовать от майнеров решения криптографических алгоритмов, используя вычислительную мощность, как в PoW, системы PoS обрабатывают и проверяют новые блоки данных транзакций на основе участников, размещающих активы внутри сети.
Ethereum 2.0 перейдет на PoS, что, как ожидается, значительно увеличит пропускную способность сети, одновременно повысив децентрализацию и защитив сетевую безопасность.
Шардинг
Шардинг — это механизм, адаптированный на основе распределенных баз данных, который стал одним из самых популярных решений масштабирования уровня 1.
Шардинг влечет за собой разбиение состояния всей сети блокчейна на отдельные наборы данных, называемые «осколками». Эти сегменты одновременно обрабатываются сетью параллельно, что позволяет выполнять последовательную работу над несколькими транзакциями.
Более того, каждый узел назначается определенному шарду вместо того, чтобы хранить всю копию блокчейна. Отдельные сегменты предоставляют доказательства основной цепочке и взаимодействуют друг с другом, обмениваясь адресами, балансами и общим состоянием, используя протоколы связи между сегментами.
Ethereum 2.0 — это высокопроизводительный протокол блокчейна, который изучает шарды наряду с Zilliqa, Tezos и Qtum.
Решение расширения уровня 2
Уровень 2 относится к сети или технологии, которая работает поверх базового протокола блокчейна для улучшения масштабируемости и эффективности блокчейна.
Решение по масштабированию уровня 2 влечет за собой перенос части нагрузки транзакций протокола блокчейна на соседнюю системную архитектуру, которая затем обрабатывает и отправляет отчеты обратно в основной блокчейн. Таким образом, блокчейн базового уровня становится менее перегруженным и, в конечном итоге, более масштабируемым.
Решения уровня 2 включают в себя:
Вложенный блокчейн
Государственный канал.
Боковая цепь.
Вложенные блокчейны
Вложенный блокчейн — это, по сути, блокчейн внутри другого блокчейна или, скорее, в другом блокчейне. Архитектура вложенного блокчейна обычно включает в себя основной блокчейн, который устанавливает параметры для более широкой сети. При этом исполнение происходит во взаимосвязанной паутине вторичных цепочек.
Несколько уровней блокчейна могут быть построены поверх основной цепочки, причем каждый уровень использует соединение родитель-потомок. Родительский поток делегирует обработку дочерним потокам и после завершения возвращает результаты родительскому потоку. Базовый блокчейн не участвует в сетевых функциях вторичной цепочки, если только не требуется разрешение споров.
Распределение работы в соответствии с этой моделью снижает нагрузку на основную цепочку, что позволяет экспоненциально улучшить масштабируемость. Проект OMG Plasma является примером вложенной инфраструктуры блокчейна второго уровня, используемой поверх протокола Ethereum уровня 1 для ускорения и удешевления транзакций.
Государственный канал
Каналы состояния облегчают двустороннюю связь между блокчейном и каналами транзакций вне цепочки, а также повышают общую пропускную способность и скорость транзакций.
Канал состояния не требует подтверждения узлами сети уровня 1. Вместо этого это прилегающий к сети ресурс, который блокируется с помощью механизма мультиподписи или смарт-контракта.
Когда транзакция или серия транзакций завершаются в канале состояния, окончательное «состояние» «канала» и все присущие ему переходы записываются в базовый блокчейн. Сеть Liquid, Celer, Bitcoin Lightning и Raiden Network от Ethereum являются примерами государственных каналов.
В балансе между трио блокчейнов канал жертвования состояний должен пожертвовать некоторой степенью децентрализации для достижения большей масштабируемости.
Боковая цепь
Сайдчейн — это цепочка транзакций, примыкающих к блокчейну, которая часто используется для крупных пакетных транзакций. Сайдчейны используют независимый механизм консенсуса, то есть отдельный от исходной цепочки, который можно оптимизировать по скорости и масштабируемости.
В архитектуре боковой цепи основная роль основной цепи заключается в поддержании общей безопасности, пакетном подтверждении записей транзакций и разрешении споров. Сайдчейны отличаются от каналов состояния несколькими интегрированными способами.
Во-первых, транзакции сайдчейна не являются секретными, они публично записываются в реестр. Более того, нарушение безопасности сайдчейна не влияет на основную цепь или другие сайдчейны. Настройка сайдчейна может потребовать значительных усилий, поскольку инфраструктура часто строится с нуля.
Преимущества 2 решений
Уровню 1 не нужно ничего добавлять поверх существующей архитектуры.
Уровень 2 не вмешивается в базовый протокол блокчейна. Решения уровня 2, такие как государственные каналы и особенно сеть Lightning Network, позволяют выполнять несколько микротранзакций без траты времени на проверку майнеров и уплаты ненужных комиссий за транзакции.
Проблема существует для обоих решений
Решения масштабируемости уровня 1 и уровня 2 связаны с двумя важными проблемами.
Во-первых, существуют трудности с добавлением этих решений в существующие протоколы.
Рыночная капитализация Ethereum и Bitcoin составляет миллиарды долларов. Каждый день торгуются миллионы долларов. Вот почему нет смысла добавлять ненужный код и усложнения к экспериментам с этими протоколами, экспериментам с большими деньгами.
Во-вторых, даже если вы создадите протокол с нуля, включающий эти методы, они все равно могут не решить дилемму масштабируемости.
Термин «триада масштабируемости» был придуман основателем Ethereum Виталиком Бутериным. Это компромисс, на который блокчейн-проекты должны пойти, решая, как оптимизировать свою архитектуру, балансируя следующие три свойства — децентрализацию, безопасность и масштабируемость.
Например: Биткойн хочет оптимизировать безопасность и децентрализацию, поэтому им приходится идти на компромисс в отношении масштабируемости.
Решение для решения
Решение состоит в том, чтобы создать протокол с нуля со встроенными этими решениями. Кроме того, это также может решить дилемму масштабируемости.
Лауреат премии Тьюринга Сильвио Микали создает проект под названием «Альгоранд», который пытается сделать именно это. Algorand использует протокол консенсуса, называемый чистым доказательством доли (PPoS).
В ППоС:
Лидеры и избранные проверяющие (SV) выбираются на каждом этапе Византийского соглашения.
Вычислительные затраты, с которыми сталкивается пользователь, связаны только с генерацией и проверкой подписи, а также с простыми операциями подсчета.
Стоимость не зависит от количества пользователей, выбранных для каждого блока. Это число является постоянным и не зависит от размера всей сети.
Увеличение вычислительной мощности напрямую повышает производительность, делая Algorand идеально масштабируемым. Это означает, что по мере увеличения размера сети она будет поддерживать высокие скорости транзакций без дополнительных затрат.
Заключить
Масштабируемость — главная причина, препятствующая массовому внедрению криптовалют. Чтобы гарантировать масштабируемость и скорость криптовалют для повседневных транзакций, нам нужны протоколы, специально созданные для решения этой проблемы.
Решения для масштабирования уровня 1 и уровня 2 — это две стороны одной криптовалютной монеты. Это стратегии, разработанные для того, чтобы сделать сети блокчейнов более быстрыми и более отзывчивыми на быстро растущую базу пользователей.
Эти стратегии также не являются взаимоисключающими. Многие сети блокчейнов изучают комбинацию решений масштабирования уровня 1 и уровня 2 для достижения повышенной масштабируемости без ущерба для безопасности или полной децентрализации.
Источник: составлено (Gemini-Cryptopedia, Петро Уоллес).