Mikä on lohkoketjun trilemma?
Sisällysluettelo
Johdanto
Mitä on hajauttaminen?
Mitä lohkoketjun turvallisuudella tarkoitetaan?
Mikä on skaalautuvuus?
Miksi lohkoketjun trilemma on olemassa?
Lohkoketjun trilemman ratkaiseminen
Yhteenveto
Mikä on lohkoketjun trilemma?
Etusivu
Artikkelit
Mikä on lohkoketjun trilemma?

Mikä on lohkoketjun trilemma?

Keskitaso
Julkaistu Oct 14, 2022Päivitetty Nov 11, 2022
9m

Tiivistelmä

Lohkoketjut voivat käsitellä vain rajoitetun määrän transaktioita sekunnissa. Esimerkiksi Bitcoin-verkko voi käsitellä noin seitsemän transaktiota sekunnissa. Jos lohkoketjutekniikka halutaan ottaa käyttöön maailmanlaajuisesti, sen pitäisi pystyä käsittelemään paljon enemmän dataa ja suuremmilla nopeuksilla, jotta useammat ihmiset voivat käyttää verkkoa ilman, että sen käyttämisestä tulee liian hidasta tai kallista. Monien hajautettujen verkkojen perussuunnittelu tarkoittaa kuitenkin sitä, että skaalautuvuuden lisääminen yleensä heikentää hajauttamista tai turvallisuutta. Tätä kutsutaan lohkoketjun trilemmaksi. Kehittäjät, jotka haluavat ratkaista tämän ongelman, tekevät kokeiluja erilaisilla konsensusmekanismeilla ja skaalautuvuusratkaisuilla, kuten shardauksella, sivuketjuilla ja tilakanavilla.

Johdanto

Perustasolla lohkoketju on hajautettu digitaalinen tietokanta. Tietolohkot on järjestetty aikajärjestykseen. Lohkot on linkitetty ja suojattu kryptografisilla todisteilla. Tämän tekniikan käyttöönotto eri toimialoilla on jo muuttanut tapaamme työskennellä ja elää. 

Ajatuksena on, että hajautetut ja turvalliset lohkoketjut mahdollistavat maailman, jossa meidän ei tarvitse luottaa kolmansiin osapuoliin verkkojen tai markkinoiden toimimiseksi. Asiantuntijat ovat kuitenkin yleensä yhtä mieltä siitä, että jos tämä tekniikka halutaan ottaa laajemmin käyttöön, ensin on ratkaistava tietty ydinongelma. Kyseinen ongelma tunnetaan nimellä "lohkoketjun trilemma".

Tätä termiä suositteli Ethereumin perustaja Vitalik Buterin. Jotta ymmärtäisit tätä käsitettä paremmin, sinun on oltava tietoinen kolmesta eri elementistä, jotka ovat toivottavia lohkoketjussa: hajauttaminen, turvallisuus ja skaalautuvuus. Lohkoketjun trilemma viittaa ajatukseen, että lohkoketjujen on vaikea saavuttaa optimaalisia tasoja kaikille kolmelle ominaisuudelle samanaikaisesti. Yhden osa-alueen parantaminen johtaa yleensä toisen osa-alueen heikkenemiseen.

Tarkastelemme tässä artikkelissa kaikkia kolmea trilemman elementtiä ja keskitymme niihin jokaiseen tarkemmin. Tarkastelemalla jokaista elementtiä syvällisemmin sekä sitä, miten ne sopivat yhteen, voit saada paremman käsityksen siitä, miksi lohkoketjun trilemma on olemassa ja mikä se on. Tässä artikkelissa korostetaan myös joitain kehittäjien ehdottamia ratkaisuja.

Mitä on hajauttaminen?

Bitcoin ja vastaavat lohkoketjuverkot on suunniteltu hajautetuiksi. Niiden rakenne on sellainen, että vastuussa ei ole yhtä henkilöä tai organisaatiota. Pikemminkin vastuu on hajautettu. Verkkokerros on avoin kaikille, jotka haluavat osallistua. Tämän seurauksena määräysvalta jakautuu kokonaan sen sijaan, että se olisi yhden ainoan tahon hallussa. Kaikilla on pääsy samoihin tietoihin. Jos joku yrittää huijata järjestelmää muuttamalla tietueita omaksi edukseen, muut osallistujat hylkäävät väärät tiedot.

Tämä voi vaikuttaa melko tekniseltä selitykseltä, mutta otetaan esimerkiksi Bitcoin-verkko. Mikään kolmas osapuoli ei hallitse sitä. Voit verrata tätä nykyiseen rahoitusjärjestelmäämme, joka tarvitsee pankkeja toimiakseen. Pankit valvovat transaktioita tekevien ihmisten välistä luottamusta ja varmistavat, että kaikki tiedot säilytetään oikein. Bitcoin-lohkoketjussa nämä tiedot kuitenkin jaetaan kaikkien verkon käyttäjien kanssa, jotta ne voidaan tarkistaa ja vahvistaa, ennen kuin ne lisätään digitaaliseen tietokantaan. Tuloksena on järjestelmä, joka voi olla olemassa ilman kolmansia osapuolia.

Hajauttaminen tarjoaa mahdollisuuden niin kutsuttuun Web3:een. Tällä hetkellä käytössämme on Web2 – tämän päivän internet. Se on täynnä yritysten hallitsemia sivustoja ja sovelluksia, ja se tarjoaa käyttäjien luomaa sisältöä. Web3 on seuraava askel. Internet, jossa hajautettu lohkoketjutekniikka antaa ihmisten hallita omia tietojaan ja online-elämäänsä. 

Eräs huomioitava asia on kuitenkin se, että näiden hajautettujen järjestelmien toiminnan vuoksi – ja koska monien osallistujien on sovittava minkä tahansa tiedon paikkansapitävyydestä – transaktioajat voivat olla hitaita, koska tietoja on jaettava ja käsiteltävä. Ja siksi lohkoketjujen on skaalauduttava, toisin sanoen kyettävä käsittelemään enemmän dataa suuremmilla nopeuksilla. Palaamme tähän kysymykseen, kun keskustelemme skaalautuvuudesta.

Lisäksi hajautettu unelma on mahdollinen vain, jos taustalla olevat lohkoketjut ovat turvallisia. Jos lohkoketju ei ole turvallinen, pahantahtoinen toimija voi ottaa sen hallintaansa ja muuttaa tietoja edukseen. Tämä johtaa trilemman toiseen osaan: turvallisuuteen.

Mitä lohkoketjun turvallisuudella tarkoitetaan?

Sillä, kuinka hajautettu tietty lohkoketju on, ei ole väliä, jos se ei ole turvallinen. Hyvän lohkoketjuverkon tulisi kestää pahantahtoisten tahojen hyökkäykset. Keskitettyjen järjestelmien turvallisuus on peräisin siitä, että järjestelmä on suljettu. Kuka tahansa, joka hallitsee järjestelmää, voi taata, että tietoja ei ole peukaloitu. Mutta miten tämä saavutetaan hajautetussa järjestelmässä, johon kuka tahansa voi osallistua?

Tämä on monimutkainen aihe, mutta voimme palata Bitcoiniin esimerkkinä lohkoketjun hajautetusta turvallisuudesta. Bitcoin-lohkoketju käyttää kryptografian ja verkon konsensusmekanismin yhdistelmää nimeltä työntodiste (Proof of Work, PoW). Salauksen kannalta jokaisella lohkolla on eräänlainen digitaalinen allekirjoitus (eli hajautusarvo). Jokainen tietolohko on yhdistetty tavalla, jota ei voida peukaloida, koska kaikki muutokset muuttaisivat lohkon hajautusarvoa. Muu verkko tunnistaa nopeasti kaikki yritykset muuttaa tietoja.

PoW-konsensusmekanismi on toinen osa palapeliä. Se auttaa suojaamaan kryptojen pääkirjan. Työntodistemallin ymmärtäminen on itsessään kokonaisen artikkelin arvoinen aihe, mutta kannattaa muistaa, että verkon osallistujat voivat tarkistaa uudet transaktiot ja lisätä ne kirjanpitoon vain louhintana tunnetun toiminnan kautta. Tähän sisältyy laskentatehon käyttäminen matemaattisen pulman ratkaisemiseen. Osa prosessista edellyttää, että nämä tietokoneet suorittavat lukuisia hajautustoimintoja. Tämä vaikuttaa skaalautuvuuteen, koska PoW-mekanismi on turvallinen, mutta suhteellisen hidas.

Huomaa myös, että mitä enemmän osallistujia (solmuja) verkossa on, sitä turvallisempi se on. Mitä enemmän osallistujia on, sitä vaikeampaa yhden pahantahtoisen toimijan on ottaa järjestelmä hallintaansa. Tämä liittyy niin sanottuun 51 prosentin hyökkäykseen. Yleiskatsauksena: jos yksittäinen taho (tai pahantahtoisten toimijoiden ryhmä) voi hallita yli 50:tä prosenttia lohkoketjun verkon kokonaishajautusnopeudesta, se voisi ohittaa konsensuksen ja muuttaa ketjun tietoja omaksi hyödykseen, esimerkiksi kuluttaakseen tokeneita kahteen kertaan

Lyhyesti sanottuna turvallisuus on perusedellytys lohkoketjun onnistumiselle, koska ilman sitä hyökkääjät voivat hallita ketjua, mikä tekee siitä hyödyttömän.

Mikä on skaalautuvuus?

Skaalautuvuus viittaa tavoitteeseen rakentaa lohkoketju, joka voi tukea yhä useampia transaktioita sekunnissa. Skaalaus on tarpeen, jos lohkoketjutekniikan on tarkoitus palvella laajempaa yhteiskuntaa ja mahdollisesti miljardeja käyttäjiä. Monilla lohkoketjuilla on kuitenkin edelleen hankaluuksia tämän seikan suhteen. 

Se johtuu siitä, että hajauttaminen ja turvallisuus ovat niin perustavanlaatuisia näkökohtia lohkoketjuille, että niihin keskitytään yleensä ensin. Varsinkin hajauttaminen on niin keskeistä lohkoketjun eetokselle ja tavoitteille, että se on tunnetuimpien lohkoketjujen ytimessä. Turvallisuus, kuten olemme jo maininneet, on ydinedellytys lohkoketjun onnistumiselle ja hyödyllisyydelle.

Hajauttamisen ja turvallisuuden priorisoinnin myötä skaalautuvuudesta tulee kuitenkin haaste, koska tämä voi rajoittaa huomattavasti niiden transaktioiden määrää, joita ketju pystyy käsittelemään. Keskitetty maksujärjestelmä, kuten Visa, pystyy käsittelemään noin 24 000 transaktiota sekunnissa. Tämä johtuu siitä, että verkko on suljettu eikä siihen liity sellaisia näkökohtia kuin julkiset solmut ja konsensus. Vertaa tätä joihinkin tunnetuimpiin lohkoketjuihin. 

Bloombergin mukaan vuonna 2022: "Syyskuussa Bitcoin ei kyennyt käsittelemään yli seitsemää transaktiota sekunnissa, ja Ethereum, toiseksi suosituin verkko, oli rajoitettu noin 15 transaktioon sekunnissa – elinikä perinteisiin transaktioihin verrattuna."

Kuten jo mainitsimme, lohkoketjun transaktionopeus on rajallinen johtuen tavasta, jolla hajautetun verkon muodostavien eri osallistujien on käsiteltävä tietoja, ja itse PoW-konsensusmekanismin luonteesta. Jos yhä useammat ihmiset yhteiskunnassa alkavat käyttää lohkoketjutekniikkaa, verkot tulevat jumittumaan transaktioiden rajallisten käsittelymäärien vuoksi.

Miksi lohkoketjun trilemma on olemassa?

Ilmeisin ja perustavanlaatuisin ratkaisu edellä kuvattuun ongelmaan on vähentää niiden osallistujien määrää, jotka vahvistavat tietoja ja lisäävät niitä verkkoon. Näin skaalautuvuutta voitaisiin parantaa ja nopeutta lisätä. Tämä kuitenkin johtaisi hajauttamisen vähenemiseen, kun verkon valvonta olisi pienemmän osallistujamäärän käsissä. Tämä puolestaan johtaisi myös turvallisuuden heikkenemiseen, koska pienempi määrä osallistujia tarkoittaisi suurempaa hyökkäysten mahdollisuutta.

Trilemmassa on siis kyse tästä: kun otetaan huomioon hajauttamisen ja turvallisuuden haluttujen ominaisuuksien välinen yhteys, lohkoketjun toiminnan perussuunnittelu vaikeuttaa skaalautuvuutta. Jos parannat yhtä yksityiskohtaa, heikennät toista. Kuinka skaalautuvuutta voidaan sitten edistää ilman, että se vaikuttaisi hajauttamiseen, turvallisuuteen tai molempiin? 

Lohkoketjun trilemman ratkaiseminen

Trilemmaan ei ole yhtä kaikenkattavaa ratkaisua. Mutta kun otetaan huomioon tämän ongelman ratkaisemisen tärkeys, yhteisö on keksinyt useita erilaisia lähestymistapoja, jotka ovat johtaneet mielenkiintoisiin tuloksiin. Käydään seuraavassa läpi yleiskatsaus joistakin suosituimmista ratkaisuista, jotta saat käsityksen siitä, mitä alalla tapahtuu:

1. Shardaus

Tämä on menetelmä lohkoketjujen (tai muun tyyppisten tietokantojen) jakamiseksi pienempiin, ositettuihin lohkoketjuihin, jotka hallitsevat tiettyjä tietosegmenttejä. Tämä määrittely poistaa painetta yhdestä ketjusta, joka käsittelee kaikki verkon transaktiot ja vuorovaikutukset. Jokainen ositettu lohkoketju tunnetaan sirpaleena (shard), ja sillä on oma pääkirjansa. Nämä sirpaleet voivat sitten käsitellä omia transaktioitaan, mutta majakkalohkoketju eli pääketju hallitsee sirpaleiden välistä vuorovaikutusta. Tämä tekee shardauksesta layer 1 -verkon skaalautuvuuspäivityksen, koska se on muutos lohkoketjun pääverkkoon.

2. Erilaiset konsensusmekanismit

Eräs syy trilemman olemassaoloon Bitcoin-verkossa johtuu tavasta, jolla PoW toimii turvallisuuden varmistamiseksi. Louhijoiden, salausalgoritmien ja valtava hajautetun laskentatehon tarve johtaa turvalliseen mutta hitaaseen järjestelmään. Toisenlaisen tavan löytäminen konsensuksen varmistamiseksi on eräs lähestymistapa trilemman ratkaisemiseen. Tämä oli yksi syy Ethereumin siirtymiseen PoW-mallista varantotodistemalliin (Proof of Stake, PoS).

PoS-lohkoketjuissa transaktioiden vahvistamiseen osallistuvien on steikattava (lukittava) tokeninsa. Pitkälle erikoistuneita louhintalaitteita ei tarvita. Vahvistajien lisääminen verkkoon on halvempaa, yksinkertaisempaa ja saavutettavampaa. Skaalautuvuuden suhteen PoS on vain yksi monista erilaisista lähestymistavoista konsensusmekanismeihin. 

3. Layer-2-ratkaisut

Sekä shardaus että erilaiset konsensusmekanismit ovat niin sanottuja layer-1-ratkaisuja. Ne pyrkivät muuttamaan taustalla olevan verkon perusrakennetta. Muut trilemman ratkaisua yrittävät kehittäjät ovat kuitenkin luoneet ratkaisuja, jotka perustuvat verkon olemassa olevaan rakenteeseen. Toisin sanoen heidän mielestään vastaus on toisessa tasossa (eli "layer 2"). Esimerkkejä tästä ovat sivuketjut ja tilakanavat.

Sivuketju on pohjimmiltaan erillinen lohkoketju, joka on kytketty pääketjuun. Se on määritetty siten, että varat voivat virrata vapaasti näiden kahden ketjun välillä. Tärkeää on, että sivuketju voi toimia eri sääntöjen mukaisesti, mikä mahdollistaa suuremman nopeuden ja paremman skaalautuvuuden. Tilakanavat ovat toinen tapa poistaa transaktiot pääketjusta ja helpottaa layer 1 -tason painetta. Tilakanava käyttää älysopimuksia erillisten ketjujen sijaan, jotta käyttäjät voivat olla vuorovaikutuksessa keskenään julkaisematta transaktioitaan lohkoketjuun. Lohkoketju tallettaa vain kanavan alun ja lopun.

Yhteenveto

Skaalautuvuuden trilemma estää lohkoketjua täyttämästä potentiaaliaan maailman muuttamiseksi suunniteltuna tekniikkana. Jos lohkoketjuverkot pystyvät käsittelemään vain pienen määrän transaktioita sekunnissa hajauttamisen ja turvallisuuden ylläpitämiseksi, massan käyttöönottoa on vaikea saavuttaa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi töitä tekevien kehittäjien tällä hetkellä esittämät ratkaisut viittaavat kuitenkin siihen, että lohkoketjun jo aikaansaama teknologinen kehitys jatkuu edelleen ja että nämä verkot saattavat tulevaisuudessa pystyä käsittelemään hyvinkin paljon enemmän tietoja.