De Blockchain-trilemma

De blockchain-trilemma, ook wel de schaalbaarheids-trilemma genoemd, formuleert de belangrijkste uitdaging bij het opschalen van gedistribueerde systemen. Het probleem zit in het feit dat de drie kernkenmerken van blockchain (decentralisatie, beveiliging en productiviteit) niet tegelijkertijd gegarandeerd kunnen werken. Een gedecentraliseerd netwerk kan slechts op twee van de drie kenmerken een hoog niveau hebben. Met andere woorden: wanneer één aspect wordt versterkt, lijdt het andere onvermijdelijk schade.

Voordat we dieper ingaan op de nuances van de crypto-trilemma, definiëren we eerst schaalbaarheid, beveiliging en decentralisatie in algemene termen.

• Blockchain-schaalbaarheid verwijst naar het vermogen om meer transacties te verwerken.
• Beveiliging verwijst naar het vermogen om blockchaingegevens te beschermen tegen verschillende aanvallen en dubbel uitgeven te voorkomen.
• Decentralisatie is een vorm van netwerkredundantie die ervoor zorgt dat het netwerk niet wordt gecontroleerd door een beperkt aantal entiteiten.

Bitcoin illustreert dit. In deze blockchain is het aantal transacties per seconde vrij klein, ongeveer zeven, en worden blokken elke tien minuten gemined. Wanneer het netwerk overbelast raakt, kunnen transacties met lage commissies lang duren om te verwerken. Het resultaat is een hoog niveau van beveiliging en decentralisatie, maar een lage productiviteit (oftewel schaalbaarheid).

Om de prestaties te verbeteren, kun je de blokgrootte vergroten. Maar dan schiet de complexiteit omhoog en uiteindelijk zullen alleen grote mining-pools in staat zijn om op het netwerk te blijven. Daardoor wordt het systeem centraler. En als je de productietijd verkort, komt de beveiliging in gevaar. Nodes hebben mogelijk niet genoeg tijd om consensus te bereiken voordat het volgende blok wordt gemined.

Schaalbaarheid

Het netwerk omvat veel computers die theoretisch onbeperkte rekenkracht hebben die nodig is om verschillende problemen op te lossen. Netwerkdoorvoer is een fundamenteel belangrijke parameter, omdat deze het aantal transacties meet dat per tijdseenheid wordt verwerkt.

Veiligheid

Beveiliging tegen externe blootstelling komt voort uit encryptie. Blockchain-algoritmen maken gebruik van moderne cryptografie. Alle transacties (invoer in de blockchain) worden geverifieerd via het miningproces, dat het Proof-of-Work-consensusalgoritme gebruikt. Dit betekent dat elke transactie wordt versleuteld voordat deze aan de blockchain wordt toegevoegd. Tegenwoordig is er geen bekende methode om gesloten cryptografische sleutels te kraken. Dit komt doordat de aanvaller dit binnen een beperkte tijdspanne moet doen.

Decentralisatie

Deze eigenschap zorgt voor veiligheid tegen interne blootstelling. De database (blockchain) wordt tegelijkertijd opgeslagen op de computers van alle deelnemers. Dit is een van de belangrijkste eigenschappen van blockchain. Het verwijst naar het ontbreken van een gecentraliseerde instantie, persoon of dienst die beslissingen neemt binnen het netwerk. Het werk op het netwerk wordt verdeeld over nodes en is volledig gedecentraliseerd. Het netwerkalgoritme biedt een procedure om consensus te bereiken tussen afzonderlijke nodes over de huidige toestand van de gegevens in het netwerk. Dit mechanisme staat bekend als een consensusmechanisme. Om informatie met terugwerkende kracht te wijzigen, moet deze gelijktijdig worden aangepast bij meer dan 50% van deze nodes. Zo'n gelijktijdige hack is natuurlijk theoretisch mogelijk, maar in de praktijk onrealistisch.

Uitleg van de blockchain-trilemma

De meest voor de hand liggende en fundamentele oplossing voor het hierboven beschreven probleem van netwerkcongestie is het verminderen van het aantal deelnemers dat gegevens op het netwerk bevestigt en toevoegt. Dit maakt grotere schaal en hogere snelheid mogelijk. Maar dit zal de decentralisatie verzwakken wanneer de controle wordt overgedragen aan een kleiner aantal deelnemers. Dit zal ook leiden tot verminderde beveiliging, omdat minder deelnemers de kans op aanvallen vergroten.

Zo ontstaat een trilemma: gegeven de inherente verbinding tussen decentralisatie- en beveiligingseigenschappen, maakt het fundamentele ontwerp van blockchain opschalen lastig. Door het ene te vergroten, verzwak je het andere. Hoe kan schaalbaarheid worden bereikt zonder decentralisatie, beveiliging of beide in gevaar te brengen?

Oplossing voor de blockchain-trilemma

Er is geen enkele gouden oplossing voor de crypto-trilemma. Maar gezien het belang van het aanpakken van dit probleem, zijn er in de community verschillende benaderingen voorgesteld, met interessante resultaten als gevolg. Laten we enkele van de populairste ontwikkelingen bekijken zodat je een idee krijgt van wat er op dit gebied gebeurt.

Wijzigingen in het consensusalgoritme

Vandaag de dag bestaan er verschillende blockchain-consensusalgoritmen, die allemaal de blockchain-trilemma gedeeltelijk oplossen. Ze combineren schaalbaarheid, decentralisatie en beveiliging in verschillende mate. Naast het bekende Proof-of-Work (PoW) zijn er ook andere consensusmechanismen zoals Proof-of-Stake (PoS), Delegated Proof-of-Stake (DPoS), Proof-of-Burn (PoB), Proof-of-Capacity (PoC), Proof-of-Importance (PoI), Proof-of-Authority (PoA), Directed Acyclic Graph (DAG), Leased Proof-of-Stake (LPoS), Proof-of-Time (PoT), Proof-of-Elapsed Time (PoET), Proof-of-Space-Time (PoST), Simple Byzantine Fault Tolerance (SBFT), Delegated Byzantine Fault Tolerance (DBFT) en andere. Makers van blockchain kiezen een specifiek algoritme op basis van hun netwerkdoelen en taken.

Oplossingen op niveau 1

Deze oplossingen hebben direct betrekking op het aanpassen van de blockchain zelf, met name de architectuur ervan. Ontwikkelaars bieden verschillende benaderingen en oplossingen voor de blockchain-trilemma.

Zo stellen ze het gebruik van multichains, de implementatie van nieuwe cryptografische methoden, sharding en andere technieken voor.

Sharding is waarschijnlijk de populairste aanpak. Bij sharding wordt de hoofdblockchain opgedeeld in segmenten, waarbij elk segment zijn deel van het register beheert. Elk segment wordt een shard genoemd. In zo'n netwerkorganisatie verwerkt elke shard zijn eigen transactiepoule, wat de netwerkdoorvoer verhoogt. De hoofdblockchain coördineert alle shard-activiteiten.

Oplossingen op niveau 2

Sharding en verschillende consensusmechanismen worden beschouwd als oplossingen van het eerste niveau. Ze zijn bedoeld om het netwerkontwerp fundamenteel te wijzigen. Andere ontwikkelaars die dit trilemma proberen op te lossen, werken echter aan oplossingen die voortbouwen op de bestaande netwerkstructuur. Met andere woorden, zij geloven dat het antwoord op het tweede niveau ligt. Voorbeelden hiervan zijn sidechains en statuskanalen.

Een sidechain is een afzonderlijke blockchain die verbonden is met het hoofdnetwerk. Deze is ingericht om activa tussen beide over te dragen. Sidechains moeten volgens andere regels werken, waardoor hogere snelheid en schaalbaarheid mogelijk worden. Evenzo zijn state channels een andere methode om transacties van het hoofdnetwerk af te leiden en de druk op de primaire laag te verlichten. Het statuskanaal maakt gebruik van een smart contract in plaats van een aparte keten. Hierdoor kunnen gebruikers met elkaar communiceren zonder transacties op de blockchain te publiceren. Alleen het begin en het einde van het kanaal worden op de blockchain vastgelegd.

Conclusie

Om zijn volledige potentieel om de wereld te veranderen te realiseren, staat blockchaintechnologie voor de schaalbaarheids-trilemma.

Als blockchainnetwerken slechts een klein aantal transacties per seconde kunnen verwerken om decentralisatie en beveiliging te behouden, zal het moeilijk zijn om brede adoptie te bereiken.

De methoden van ontwikkelaars om dit probleem op te lossen suggereren echter dat blockchaintechnologie in gebruik zal blijven. In de toekomst zullen deze netwerken meer gegevens kunnen verwerken.