Проблема масштабируемости блокчейна: объяснение

При создании технологии блокчейн разработчики рассчитывали на конфиденциальность и анонимность цифровых денег. Эта цель была достигнута за счет внедрения принципа одноранговой системы — каждый пользователь равен, и здесь нет системы управления и органа контроля денег, как банки.

Теперь криптовалюты как технология сталкиваются со следующей задачей — добиться высокой скорости операций, сопоставимой с Visa и MasterCard. Проблема масштабируемости остается одним из главных препятствий для массового внедрения технологии блокчейн. Все больше команд блокчейн-проектов ищут решения, которые могли бы повысить производительность своей сети. Многие утверждают, что уже решили или почти решили эту проблему, но к таким заявлениям стоит относиться скептически.

Основная цель

Десять лет назад Bitcoin не пользовался популярностью у пользователей. Но затем, с годами, рост числа пользователей в системе создал проблемы с вычислительной мощностью технологии. Пользоваться криптовалютой стало сложнее из-за длинных очередей, вызванных ограничением на число платежей, обрабатываемых в секунду. Таким образом, проблема масштабируемости усугубилась.

Разработчики начали активно искать оптимальные механизмы для стабилизации работы. С тех пор монеты регулярно обновлялись или разделялись при отсутствии компромиссов. Однако давайте по порядку разберем вопросы.

Проблема масштабируемости: суть задачи

Все транзакции Bitcoin совершаются в блоках, которые получают данные о транзакциях. Один блок вмещает 1 МБ информации, а скорость обработки в среднем составляет четыре платежа в секунду. С другой стороны, за перемещение средств и стабильность операций отвечает вычислительная мощность майнеров. Это необходимо для вычисления алгоритмов при создании монет и записей зашифрованных транзакций. За каждую транзакцию майнеры цифровой валюты получают комиссию.

Увеличение числа транзакций также снижает скорость обработки каждой транзакции. Это не позволяет блокчейну справляться с большим потоком. Все криптовалютные переводы выстраиваются в длинную очередь. Только высокая комиссия позволяет получить приоритет в очереди. Это явление влияет на ликвидность монеты (скачки цены) — покупателю проще использовать наличные или банковскую карту, даже в ущерб анонимности и конфиденциальности.

В таких случаях пользователи теряют интерес и доверие к валюте, вслед за ними — майнеры. В результате инвесторы видят риск инвестиций и уводят активы с пика стоимости и популярности, а трейдеры играют на движении цены.

Как выражается проблема масштабируемости

С популяризацией Bitcoin проблема масштабируемости криптовалюты проявилась из-за перегрузки сети. Поэтому пользоваться монетой стало сложнее — в мае 2017 года очереди транзакций достигали пяти дней. Так возник вопрос баланса скорости и безопасности транзакций.

Проблему можно проанализировать на практическом примере. Предположим, необходимо перевезти 500 тонн груза на поезде с вагонами вместимостью в одну тонну, с предварительной проверкой безопасности и погрузкой, время которой составляет 2 часа на единицу. Однако стоимость транспортных услуг влияет на положение товаров в порядке убывания. В результате получателям с самой низкой оплатой за доставку требуется не менее двух недель, чтобы получить конечный продукт. То же самое с Bitcoin — невозможно совершать платежи так же быстро, как с банковской карты.

Исходя из написанного, можно выделить определение проблемы масштабируемости — ограничение числа обрабатываемых транзакций за определенное время. Однако возможность выбрать платную комиссию может повысить приоритет операции в очереди блокчейна, но не решает проблему.

Первое, что приходит в голову, — увеличить размер блока и число обрабатываемых платежей без дополнительных мер. К сожалению, такой подход снизит безопасность, поскольку дозированная обработка информации позволяет избежать высокого риска DDoS-атак (умышленной перегрузки сети в мошеннических целях). Размер предусмотрен для тщательной проверки данных. Тем не менее необходимо подробно проанализировать возможные решения ситуации.

Как решить проблему масштабируемости

Разработчики, активисты и ученые начали искать способы решения проблемы масштабируемости Bitcoin. Пиковым и показательным стал описанный выше случай 2017 года с длинными очередями. Именно тогда эта задача широко обсуждалась в крипто сообществе. Были выделены три концепции исправления этого недостатка блокчейна:

• увеличить размер блока, тем самым снизив комиссию за платежи и повысив скорость обработки транзакций в секунду (TPS). У этого есть два недостатка — путь ведет к централизации монеты и риску успешных попыток DDoS-атак;
• сегментированная обработка информации, или шардинг. Часть информации отображается вне ячеек. Таким образом, блокчейн делится на два или более сегмента, отвечающих за разные группы транзакций. Также существует риск хакерских атак, поскольку для обработки шардов требуется меньшая мощность майнеров. Из-за разделения на несколько частей проверки безопасности требуют облегченных алгоритмов. Таким образом, мошенники могут добавлять ложные транзакции в сеть, примером является атака 51％;
• группа L2-решений проблемы масштабируемости. Подход представляет собой фреймворк, программу, работающую поверх блокчейна и разгружающую существующую сеть. Такие концепции отличаются от on-chain (решений внутри системы монеты) наличием посредника.

Первый метод требует разделения сети и создания новой монеты. В таком случае теряется обратная совместимость с оригиналом. То есть валюты в таком случае перестают быть однородными. В криптографической среде это явление называется hardfork. Этим путем пошел Bitcoin Cash. В результате разделения в августе 2017 года произошел отрыв от первой криптовалюты с увеличением размера блока до 8 МБ.

Второе решение предполагает создание отдельных подсетей блока с выводом части информации за его пределы. В этом случае происходит softfork — изменение программного протокола без разделения монеты. Похоже на выпуск патча для компьютерной игры с дополнениями. Пример — обновление Segregated Witness. Размер блока увеличился до 2 МБ, при этом часть информации хранится вне основной цепочки транзакций.

У решения есть недостатки — каждый шард будет подвержен опасности кибератаки. Для каждого такого сегмента используется меньшая мощность, чем на единицу.

Решения второго уровня

Архитектура ранних блокчейнов, прежде всего Bitcoin и Ethereum, не была рассчитана на большое количество транзакций и пользователей, поэтому у них низкая пропускная способность. Например, в Bitcoin она составляет 5-7 транзакций в секунду (TPS), в Ethereum — около 15 TPS.

Масштабируемость можно повысить путем изменения кода протокола блокчейна с использованием таких функций, как шардинг. Но это занимает много времени и может длиться годами. Кроме того, такие улучшения меняют основы архитектуры, поэтому сообщество проекта не всегда соглашается на их реализацию.

L2-решения позволяют хотя бы частично решить проблему низкой пропускной способности и высоких комиссий за переводы без затрагивания кода основного блокчейна. Их главное преимущество — возможность переводить активы между адресами «первого уровня» при использовании «второго уровня», который может быть как отдельным off-chain протоколом, так и отдельным блокчейном.

Какие Layer 2 решения существуют для Bitcoin?

Основной L2-проект для первой криптовалюты — Lightning Network (LN). Он работает на протоколе с использованием смарт-контрактов и так называемых статусных каналов. Lightning Network была запущена еще в 2015 году, и с тех пор активно развивается. К концу мая 2022 года общая емкость каналов LN достигла 3 900 BTC.

Основная функция LN — возможность для держателей биткоина совершать прямые обмены без записи информации в его реестр. Для этого нужно открыть специальный канал с помощью одной on-chain транзакции и внести в него биткоины.

После активации платежный канал позволяет совершать переводы off-chain, то есть вне основной сети, с гораздо более высокой скоростью и меньшими комиссиями. В отличие от on-chain транзакций, транзакции в каналах Lightning Network видны только их пользователям. В основной блокчейн записываются только начальное и конечное состояния транзакций.

Такой подход значительно снижает нагрузку на основную сеть Bitcoin: Lightning Network способна обрабатывать тысячи операций в секунду, обеспечивая при этом высокий уровень безопасности системы.

Какие Layer 2 решения существуют для Ethereum?

Несмотря на низкую скорость, экосистема Ethereum является наиболее востребованной для децентрализованных приложений. На ней работают многие популярные проекты в сферах децентрализованных финансов (DeFi) и невзаимозаменяемых токенов (NFT). Поэтому проблема масштабируемости особенно остра для Ethereum.

Сейчас параллельно разрабатываются сразу несколько крупных L2-решений:

• Polygon (MATIC);
• Arbitrum;
• Optimism.

Основная технология их работы — Rollups, которые имеют две основные разновидности:

• Optimistic Rollups. При этом решении транзакции совершаются в сети L2, а затем большими группами объединяются в компактный блок, который включается валидаторами в основную сеть Ethereum. Optimistic Rollups используются в Arbitrum и Optimism.
• ZK-Rollups. Транзакции во сети второго уровня также объединяются в пакеты и отправляются в сеть Ethereum, но их подтверждение происходит с помощью специальных проверяющих, которые представляют собой криптографическое доказательство корректности операций. Polygon реализован на основе ZK-Rollups. Эту технологию масштабирования Ethereum рассматривает основной сооснователь платформы Vitalik Buterin.

Какое бы L2-решение ни использовалось, Ethereum как «первый слой» берет на себя функцию проверки транзакций и формирования блоков, реестра, где записываются конечные состояния, и механизма консенсуса. Таким образом, проекту не нужно создавать собственную инфраструктуру.

Существуют и другие проекты Layer 2. Например, в июле 2022 года стартап Matter Labs объявил о запуске zkSync 2.0. Месяцем позже свой собственный протокол, написанный на языке Cairo, запустил проект StarkWare.

Подведем итоги

Нетрудно заметить, что в протоколе Bitcoin сетевые ресурсы используются неэффективно. Каждый узел обрабатывает и передает данные о новом блоке лишь небольшую часть времени. Пропускная способность сети используется на полную лишь несколько секунд. Остальное время этот узел отправляет неподтвержденные транзакции и вспомогательные данные. Это наблюдение вдохновило исследователей на поиск более эффективных схем протокола, которые могли бы значительно повысить пропускную способность системы без ущерба для безопасности сети и децентрализации.

Сейчас криптосообщество не пришло к единому решению. Споры по-прежнему возникают, создаются новые монеты и выпускаются обновления протоколов. Эффективные решения уже разработаны, но риск человеческого фактора все еще остается. Вопрос будет закрыт развитием искусственного интеллекта как посредника транзакций.