TL;DR
Blockchainy mohou zpracovat pouze omezené množství transakcí za sekundu. Například Bitcoin dokáže zpracovat asi sedm transakcí za sekundu. Pokud se má blockchainová technologie prosadit celosvětově, měla by být schopna zpracovávat data rychleji a v mnohem větším množství, aby síť mohlo využívat více lidí, aniž by to mělo vliv na rychlost nebo cenu za používání. Základní konstrukční rysy mnoha decentralizovaných sítí ale nedovolují zvýšit škálovatelnost, aniž by to oslabilo decentralizaci nebo zabezpečení. Tato skutečnost se nazývá blockchainové trilema. Vývojáři, kteří se snaží tento problém vyřešit, experimentují s různými mechanismy konsensu a řešeními škálovatelnosti, jako jsou sharding, sidechainy (vedlejší blockchainy) a stavové kanály.
Úvod
Blockchain je zjednodušeně řečeno distribuovaná digitální databáze. V ní se nachází bloky dat, které jsou uspořádány chronologicky. Bloky jsou propojeny a zabezpečeny kryptografickými důkazy. Zavádění této technologie v různých odvětvích už teď mění způsob, jakým pracujeme a žijeme.
Myšlenka decentralizovaných a bezpečných blockchainů spočívá v tom, že umožňují vytvářet svět, ve kterém budou fungovat sítě a trhy, aniž byste se museli spoléhat na třetí strany. Odborníci se ale obecně shodují, že pokud se má tato technologie více rozšířit, je třeba vyřešit zásadní problém, kterým je takzvané blockchainové trilema.
Tento termín zpopularizoval Vitalik Buterin, spoluzakladatel Etherea. Aby vám dával smysl, musíte rozumět třem různým prvkům, které jsou pro blockchain žádoucí: decentralizace, bezpečnost a škálovatelnost. Blockchainové trilema se týká myšlenky, že pro blockchain je obtížné dosáhnout optimální úrovně všech tří vlastností současně. Zvýšení jedné z nich obvykle vede k oslabení jiné.
V tomto článku se budeme zabývat všemi třemi prvky trilematu a každý z nich si podrobněji vysvětlíme. Díky tomu lépe porozumíte, jak do sebe zapadají, jak blockchainové trilema vzniklo a proč existuje. Na konci článku se dozvíte i o některých řešeních navržených vývojáři.
Co je decentralizace?
Bitcoin a podobné blockchainové sítě jsou ze své podstaty decentralizované. Celá struktura funguje tak, že za ni neodpovídá jeden člověk ani jedna organizace. Místo toho je decentralizovaná. Síťová vrstva je otevřená každému, kdo ji chce používat. Díky tomu je řízení sítě plně distribuované a nenachází se v rukou jednoho jediného subjektu. Všichni mají přístup ke stejným datům. Když se někdo pokusí systém podvést tím, že změní záznamy ve svůj prospěch, ostatní uživatelé sítě chybné údaje odmítnou.
Vysvětlení principu decentralizace může být trochu techničtější, ale ukážeme si to na příkladu Bitcoinu. Ten ve srovnání s bankami ve finančním systému není řízen žádnou třetí stranou. Banky prosazují důvěru mezi osobami, které provádějí transakce, a starají se o správné vedení všech záznamů. Bitcoin ale všechny tyto údaje sdílí se všemi v síti, aby je bylo možné před přidáním do digitální databáze zkontrolovat a potvrdit. Výsledkem je systém, který může existovat bez nutnosti třetí strany.
Decentralizace je předpokladem pro vznik takzvaného Webu 3. V současné době máme Web 2 – internet dneška. Ten je plný webů a aplikací, které řídí společnosti, ale obsah z velké části vytváří sami uživatelé. Web 3 je dalším krokem. Je to internet, kde decentralizovaná blockchainová technologie umožňuje lidem převzít kontrolu nad vlastními daty a online životy.
Je ale nutné si uvědomit, že vzhledem k tomu, jak tyto distribuované systémy fungují (na platnosti jakýchkoli dat se musí shodnou široká škála účastníků), může být doba transakce kvůli způsobu, jakým je třeba informace sdílet a zpracovávat, pomalá. Blockchainy proto musí být škálovatelné, což znamená, že musí být schopné zpracovávat více dat vyšší rychlostí. K tomuto bodu se ještě vrátíme v části o škálovatelnosti.
Decentralizovaný sen navíc platí pouze v případě, že jsou příslušné blockchainy bezpečné. Pokud není blockchain dostatečně zabezpečený, může nad ním subjekt se špatnými úmysly převzít kontrolu a změnit data ve svůj prospěch. Což nás přivádí k druhé části trilematu: bezpečnosti.
Co znamená bezpečnost blockchainu?
Pokud není blockchain dostatečně zabezpečený, na míře jeho decentralizovanosti nezáleží. Dobrá blockchainová síť by měla být odolná vůči útokům ze strany subjektů se špatnými úmysly. Centralizované systémy svou bezpečnost odvozují od skutečnosti, že mají uzavřený systém. Ten, kdo nad ním má kontrolu, může zaručit, že do dat nebude nikdo jiný zasahovat. Jak je ale možné stejné bezpečnosti dosáhnout v decentralizovaném systému, ke kterému se může připojit kdokoli?
Opět to je složitější téma, ale vrátíme se k příkladu Bitcoinu a ukážeme si, jak ten řeší decentralizované zabezpečení blockchainu. Bitcoin používá kombinaci kryptografie a mechanismu síťového konsenzu s názvem Proof of Work (PoW). Z hlediska kryptografie má každý blok určitý druh digitálního podpisu (neboli hash). Každý datový blok je připojen takovým způsobem, aby s ním nebylo možné manipulovat, protože jakákoli změna by změnila hash bloku. Jakýkoli pokus o změnu dat by byl zbytkem sítě velmi rychle identifikován.
Dalším dílkem skládačky je mechanismus konsenzu PoW. Ten pomáhá zabezpečit účetní knihu blockchainu. Vysvětlení mechanismu Proof of Work by vydalo na celý článek, ale pro naše účely vám bude stačit vědět, že účastníci sítě mohou ověřovat nové transakce a přidávat je do účetní knihy pouze prostřednictvím takzvané těžby. Jedná se řešení matematické hádanky pomocí výpočetního výkonu. Součástí tohoto procesu je velké množství hashování. Proto má Bitcoin problém se škálovatelnosti. Mechanismus PoW je sice bezpečný, ale také je poměrně pomalý.
Čím více účastníků (uzlů) síť má, tím je bezpečnější. Čím větší je počet stran, tím obtížnější je pro jeden subjekt se špatnými úmysly převzít kontrolu nad systémem. S tím souvisí takzvaný 51% útok. Pro představu: kdyby jeden subjekt (nebo skupina subjektů) se špatnými úmysly ovládal víc než 50 % celkového hashratu blockchainové sítě, byl by schopen potlačit konsenzus a měnit blockchainová data ve svůj prospěch – například utrácet kryptoměny dvakrát.
Bezpečnost je zkrátka základním předpokladem úspěchu blockchainu, protože bez ní mohou útočníci převzít nad blockchainem kontrolu, takže by pak byl nepoužitelný.
Co je škálovatelnost?
Škálovatelnost označuje cíl vytvořit blockchain, který bude podporovat více transakcí za sekundu. Pokud má blockchainová technologie sloužit širší komunitě, případně miliardám uživatelů, je škálování nezbytné. Právě v této oblasti se ale řada blockchainů pořád potýká s problémy.
Důvodem je skutečnost, že decentralizace a bezpečnost jsou pro blockchain natolik zásadní, že škálovatelnost musí ustoupit na druhou kolej. Decentralizace je pro principy a cíle blockchainu natolik zásadní, že tvoří samotné jádro většiny uznávaných blockchainů. A bezpečnost, jak už jsme uváděli, je základním předpokladem úspěšného a užitečného blockchainu.
Ale právě proto, že se decentralizace a bezpečnost upřednostňují, škálovatelnost se stává výzvou. Počet transakcí, které dokáže blockchain zpracovat, může být značně omezen. Centralizovaný platební systém, jako je Visa, uvádí, že dokáže zpracovat 24 000 transakcí za sekundu. Takové množství transakcí zvládá tato síť proto, že je uzavřená a nebrzdí ji veřejné uzly ani konsenzus. Podívejte se na srovnání s nejznámějšími blockchainy.
Agentura Bloomberg uvedla: „V září 2022 nebyl Bitcoin schopen zpracovat víc než sedm transakcí za sekundu a Ethereum, druhá nejoblíbenější síť, byla omezena na přibližně 15 transakcí za sekundu, což je ve srovnání s tradičními transakcemi věčnost.“
Jak už jsme uvedli, rychlost blockchainových transakcí je omezena tím, že informace musí být zpracovány různými účastníky, kteří tvoří decentralizovanou síť, a povahou samotného mechanismu konsenzu PoW. Pokud blockchainovou technologii bude používat stále více lidí, dojde kvůli omezenému počtu transakcí, které dokážou sítě zpracovat, k jejich zahlcení.
Proč blockchainové trilema existuje?
Asi nejzřejmějším a nejzákladnějším řešením výše uvedeného problému se škálovatelností a rychlostí je snížit počet účastníků, kteří potvrzují transakce a přidávají na síť data. To by ale vedlo k oslabení decentralizace a předání kontroly menšímu počtu účastníků. Vedlo by to také k oslabení bezpečnosti, protože menší počet účastníků znamená vyšší pravděpodobnost útoků.
V tom tedy spočívá to trilema: vzhledem k návaznosti decentralizace na bezpečnost je kvůli základním konstrukčním rysům fungování blockchainu obtížné dosáhnout lepšího škálování. Když jednu vlastnost posílíte, oslabíte tím jinou. Je možné zlepšit škálovatelnost, aniž byste poškodili decentralizaci, bezpečnost nebo obojí?
Řešení blockchainového trilematu
Toto trilema nemá jediné úžasné řešení. Vzhledem k tomu, jak důležité je tento problém vyřešit, se ale v rámci blockchainové komunity objevila řada různých přístupů se zajímavými výsledky. Pojďme se podívat na některé z nejoblíbenějších vývojových trendů, ať víte, co se v této oblasti děje:
1. Sharding
Jedná se o metodu dělení blockchainů (nebo jiných typů databází) na menší, segmentované blockchainy, které spravují konkrétní segmenty dat. Tento přístup ulehčuje práci jedinému blockchainu, který se musí starat o veškeré transakce a veškerou síťovou komunikaci. Každý segmentovaný blockchain (tzv. shard) má svou vlastní účetní knihu. Tyto shardy pak mohou zpracovávat vlastní transakce, ale komunikaci mezi shardy spravuje hlavní blockchain (beacon chain). To z shardingu dělá škálovací řešení první vrstvy, protože jde o změnu mainnetu blockchainu.
2. Jiný mechanismus konsenzu
Jedním z důvodů, proč se trilema týká sítě Bitcoinu, je způsob, jakým mechanismus PoW zajišťuje bezpečnost. Potřeba těžařů, kryptografických algoritmů a obrovského množství decentralizovaného výpočetního výkonu vede k bezpečnému, ale pomalému systému. Jedním z možných přístupů, jak trilema vyřešit, je najít jiný způsob zajištění konsenzu. To byl jeden z důvodů, proč síť Ethereum přešla z PoW na Proof of Stake (PoS).
Na blockchainech s mechanismem PoS musí účastníci, kteří ověřují transakce, stakovat (uzamknout) své kryptoměny. Nepotřebují žádné vysoce specializované těžební stroje a přidávání dalších validátorů je jednodušší a dostupnější. PoS je jen jedním z mnoha různých přístupů, jak pomocí mechanismu konsenzu zlepšit škálovatelnost.
3. Řešení druhé vrstvy
Sharding a jiné mechanismy konsenzu jsou takzvaná řešení první vrstvy. Jejich cílem je změnit základní konstrukční rysy příslušné sítě. Jiní vývojáři se toto trilema snaží vyřešit řešeními, která se budují na stávající síťové struktuře. Jinými slovy se podle nich odpověď nachází ve druhé vrstvě. Mezi tato řešení patří sidechainy a stavové kanály.
Sidechain je v podstatě samostatný blockchain připojený k hlavnímu blockchainu. Je nastavený tak, aby mezi těmito dvěma blockchainy mohla aktiva volně proudit. Důležité je, že sidechain může mít jiná pravidla, což umožňuje vyšší rychlosti a lepší škálování. Dalším způsobem, jak odvést transakce z hlavního blockchainu a ulehčit první vrstvě, jsou stavové kanály. Stavový kanál používá místo samostatného blockchainu chytrý kontrakt, který uživatelům umožňuje provádět mezi sebou transakce, aniž by je zveřejňovali na blockchainu. Blockchain zaznamenává pouze zahájení a ukončení kanálu.
Závěrem
Blockchainové trilema stojí v cestě tomu, aby tato technologie naplnila svůj potenciál a změnila svět. Pokud blockchainové sítě dokážou zpracovat jen nízký počet transakcí za sekundu, aby si zachovaly decentralizaci a bezpečnost, bude dosažení masového přijetí obtížné. Současná řešení navrhovaná vývojáři, kteří se snaží tento problém vyřešit, ale naznačují, že technologický pokrok, kterého už blockchain dosáhl, bude dál pokračovat a tyto sítě budou možná v budoucnu schopny zpracovávat mnohem více dat.