Что такое трилемма масштабируемости блокчейна?

28.11.2022 | mnalilovich

Сегодня блокчейн становится той технологией, которая дает основу главным инновациям современности. Последние тренды 21 века, такие как интернет нового поколения Web 3.0 и метавселенная, — только часть из них. Внимание блокчейн-технологиям уже уделяют в банковской сфере, в структурах правового и государственного управления. При этом, ключевое значение начинают играть защищенность технологии и ее адаптированность для использования множеством людей. Трилемма масштабируемости объединяет в себе те сложности, с которыми сталкиваются современные разработчики. Что это такое и какие варианты ее решения существуют, — разбираем в данной статье.

Что такое трилемма масштабируемости?

Трилемма масштабируемости представляет собой теорему, заключающую в себе основные нюансы защищенности и гибкости блокчейн проектов. Она складывается из трех ключевых составляющих: децентрализация, масштабируемость и безопасность.

Первоначально она была открыта в 2000 году Эриком Брюером, занимавшимся на тот момент исследованием параллельных вычислений с использованием нескольких компьютеров (что и осуществляется в блокчейне при исполнении транзакций). Она была названа как Теорема САР и определяла, что при выполнении таких вычислений будут присутствовать три условия, полное удовлетворение которых одновременно не представляется возможным. Эти условия: согласованность данных (децентрализация), доступность (масштабируемость) и устойчивость к разделению (безопасность).

Сегодня трилемма масштабируемости решается разными способами, но в каждом из них разработчики наблюдают похожую закономерность: для удовлетворения двух условий приходится жертвовать третьим. Например, Bitcoin был изначально создан так, чтобы обеспечить его максимальную защиту от хакерских атак и попыток взятия под контроль крупными инвесторами или государственными институтами. В результате этого сильно пострадала масштабируемость и гибкость его блокчейна. При том, что многие современные криптоплатформы обладают скоростью транзакций 5 000 до 50 000 в секунду, Bitcoin до сих пор может предложить своим пользователям только 7 переводов в секунду с максимальными комиссиями.

Наиболее явной для разработчиков трилемма масштабирования стала благодаря выступлениям основателя Ethereum Виталика Бутерина. Первоначально команда Бутерина хотела максимально обезопасить свой проект. Однако с течением времени стало понятно, что он не выдерживает конкуренции с более молодыми решениями, среди которых во множестве появлялись и сайдчейны самого Ethereum. Это стало основой для нового обновления к Ethereum 2.0 в сентябре 2022 года с переходом платформы на алгоритм консенсуса Proof-of-Stake. Так разработчики пожертвовали безопасностью проекта чтобы снизить комиссии в сети Ethereum, сделать его более гибким и удобным.

Алгоритмы консенсуса в свете трилеммы масштабирования

Работа блокчейн-сети выстраивается на основе протоколов, которые устанавливают правила их функционирования. Алгоритмы консенсуса — это механизмы, в автоматическом режиме проверяющие соответствие работы блокчейна принятым протоколам. Выделяют несколько основных механизмов консенсуса.

Proof-of-Work (“доказательство выполненной работы”, — PoW)

Именно на этом алгоритме работает главный “поводырь” крипорынка Bitcoin. Здесь создание блоков и выполнение переводов осуществляется майнерами. Для подтверждения транзакции и формирования нового блока необходимо выполнить математические решения, требующие вычислительных мощностей компьютера. При этом в задачи программ майнинг-узлов входит также и подтверждение работы других майнеров, в результате чего они обеспечивают взаимный контроль друг друга. Так майнеры могут получать вознаграждение за выполненную работу, а сеть остается защищенной.

В данном алгоритме хорошо обеспечивается безопасность и децентрализация сети, но при этом остается нерешенной проблема масштабирования.

Proof-of-Stake (“доказательство доли”, — PoS)

Как и следующий, данный алгоритм позволяет существенно повысить масштабируемость сети, но делает это в ущерб децентрализации и безопасности. Здесь за проведение транзакций отвечают валидаторы, которыми становятся пользователи, заблокировавшие собственные средства в стейкинговом аккаунте. Подразумевается, что эти активы служат страховым вкладом валидаторов, которые не станут рисковать ими для совершения мошеннических действий. Лучшая безопасность может обеспечивается размером вклада, как, например в сети Ethereum, в которой для статуса валидатора потребуется заблокировать сумму в 32 Ether.

Преимущества — высокая скорость транзакций без необходимости траты большого количества вычислительных мощностей. Кроме того энергопотребление здесь существенно ниже, тогда как в Proof-of-Work по данным портала Digiconomist к 2024 году оно будет сопоставимо с годовым энергопотреблением целой Италии.

Delegated Proof-of-Stake (“делегированное доказательство доли”, — DPoS)

По своей сути он повторяет алгоритм Proof-of-Stake, однако здесь для подтверждения транзакций избираются делегаты, осуществляющие контроль правомерности исполняемых переводов. Валидаторами становятся избранные участники сообщества криптопроекта, которым другие пользователи могут передавать собственные средства и получать прибыль. Помимо них, выделяют также и свидетелей. Они наблюдают за функционированием блокчейна и решениями избранных делегатов.

Данный алгоритм в еще большей степени наносит ущерб децентрализации, так как при этом группа лиц может выбирать, какие транзакции справедливы, а какие нет. Однако здесь существенно повышается скорость масштабирования блокчейна (до 100 000 в секунду как у платформы EOS).

Компоненты трилеммы масштабируемости

Рассмотрим нюансы каждого компонента дилеммы и определим, какую именно роль они играют в функционировании блокчейна.

Децентрализация

Основная задача децентрализации — защитить криптовалюту от попыток регулирования независимыми субъектами или государственными институтами. С самого начала ключевой идеей блокчейна было создание технологии, которая была бы в максимальной степени свободна от влияния отдельных людей. В настоящее время криптопроекты в большинстве своем управляются сообществами пользователей, принимающими решения относительно необходимости проведения обновлений и модернизации сети. В сообществе могут выделяться группы разработчиков, голос которых будет играть решающее значение. Однако ни один из них не может внедрять изменения в код блокчейна без одобрения других пользователей.

Масштабируемость

Сюда относят все те вопросы, которые связаны с быстродействием сети, скоростью обработки транзакций и комиссионными сборами. Особую остроту они принимают с ростом популярности криптовалют и с попытками использования токенов для ежедневных мелких переводов, таких как покупки товаров или оплата в кафе. Однако технологии многих блокчейн-проектов до сих пор не адаптированы к такому формату их применения. Например, во время пика популярности Bitcoin в 2017 году высокое число переводов создавало очереди, держатели монет могли ждать совершения транзакций по нескольку дней а стоимость комиссий достигала $60.

В традиционных блокчейнах внедрены отграничения, которые обеспечивают безопасность сети, но негативно сказываются на масштабируемости. Стейкинг или майнинг направлены на то, чтобы осуществить децентрализованный контроль за переводом средств в сети. Для этого требуются не только запуск ноды, проведение транзакции и создание блока одним пользователем. Здесь также необходимо, чтобы значительная часть других валидаторов согласилась с выполненными действиями, что накладывает ограничения на скорость сети. Кроме того, нередко майнеры выбирают те транзакции, комиссии за которые выше. В результате такая система оказывается невыгодной для повседневного использования криптовалюты обычными людьми.

Безопасность

Безопасносность в блокейн-сетях обеспечивается отсутствием централизованного контроля. Она определяет, насколько сеть устойчива к внешнему воздействию, например, к хакерским атакам. Известной является атака 51%, когда мошенниками выкупается более половины существующих токенов или нод валидации. В результате они могут влиять на целостность сети, самостоятельно инициировать и подтверждать транзакции.

По сути, сегодня основная часть криптопроектов защищается от таких атак распределением монет среди большого числа пользователей и высокой стоимостью всех активов. Например, для проведения атаки 51% на Ethereum или Bitcoin хакерам потребуется потратить десятки миллиардов долларов. Кроме того, классические криптовалюты с алгоритмом консенсуса Proof-of-Work требуют для валидации предоставления больших вычислительных мощностей. Но при этом такая технология может страдать от DDoS или спам-атаки, когда хакеры заполняют трафик вредоносными транзакциями или создают избыточность мелких переводов, нарушающих работу сети.

Варианты решения трилеммы масштабируемости

В настоящий момент идеального решения трилеммы масштабируемости все еще не существует. Разработчиками применяются разные варианты, вокруг которых ведутся споры относительно их эффективности для применения в существующих DeFi-проектах и повсеместного внедрения. Определим несколько наиболее известных методов.

Шардинг

Шардинг (шардирование) подразумевает разделение базы данных на отдельные сегменты, которые будут храниться на разных серверах. Такое решение позволяет не менять алгоритм консенсуса и при этом существенно повысить производительность сети. В блокчейн-технологии в основном применяется горизонтальный шардинг. Он определяет разделение данных транзакций по разным нодам валидации. Тогда разные ноды заняты не исполнением отдельных переводов, а могут совместно вычислять каждую транзакцию на отдельных этапах ее исполнения. Это позволяет настроить параллельное вычисление, при котором снижается нагрузка на узлы валидации и тем самым повышается масштабируемость сети.

Изменение механизма консенсуса

На данный момент наиболее эффективным в плане решения трилеммы масштабируемости считается алгоритм Proof-of-Stake. Однако он также имеет свои недостатки, которые особенно остро могут проявиться на начальных этапах внедрения криптопроектов. Например, на этапе проведения ICO, когда стоимость токенов еще минимальна, отдельные игроки на рынке могут выкупить большую часть монет. В результате у них появится возможность полностью изменить программный код блокчейна. Некоторые проекты во избежание этого первоначально запускают сеть на Proof-of-Work, чтобы, пока будет осуществляться майнинг, сохранялась безопасность и повышалась цена токена.

Интересными на данный момент являются гибридные или альтернативные алгоритмы консенсуса. Среди них выделяются следующие:

• Proof-of-Action (“доказательство активности”, — PoA), объединяющий в себе и майнинг и стейкинг. На первом этапе майнерами осуществляется работа по добыче нового блока, после чего он передается валидаторам, которые его подтверждают.
• Proof of Burn (“доказательство сжигания”, — PoB) — подразумевает, что за сохранение права на формирование блока майнеры будут каждый раз сжигать собственные монеты. Это позволяет создать искусственную инфляцию и в то же время обеспечить верность майнеров блокчейну, которым приходится для сохранения статуса жертвовать средствами.
• Proof-of-Authority (“доказательство авторитета”, — PoA) — требует от валидаторов полного раскрытия своей личности. Здесь, так как валидатор не скрывается за псевдонимом, он ставит на кон свою репутацию и поэтому стремится сохранить право на участие в стейкинге.

Решения второго уровня

Данные решения не затрагивают блокчейн первого уровня, а создают своеобразную надстройку над основной сетью. Такие проекты называются сайдчейны и позволяют существенно повысить масштабируемость главной платформы. Распространенный пример — Polygon (MATIC), являющийся сайдчейном сети Ethereum. Благодаря новому решению, ему к 2020 году удалось повысить скорость транзакций с токеном Ether с 17 до 65 тысяч переводов в секунду. В решениях второго уровня это становится возможным, так как они не затрагивают основную платформу и не зависят от производительности его сети. При этом в первичный блокчейн вносятся только конечные данные проведения транзакций.

Решения второго уровня неоднократно подвергались критике за их меньшую защищенность в сравнении с главными блокчейнами. Однако они не могут повредить “родительской” сети, так как существуют независимо и не открывают дополнительных каналов манипуляции блокчейном.