TL;DR
Blockchainy mogą obsługiwać tylko ograniczoną liczbę transakcji na sekundę. Na przykład sieć Bitcoin może przetwarzać około siedmiu transakcji na sekundę. Jeśli technologia blockchain ma zostać przyjęta na całym świecie, powinna być w stanie obsłużyć znacznie więcej danych, i to z większą prędkością, tak aby więcej osób mogło korzystać z sieci, nie stając się przy tym zbyt wolną lub drogą w użyciu. Jednak podstawowy projekt wielu zdecentralizowanych sieci oznacza, że zwiększenie skalowalności ma tendencję do osłabienia decentralizacji lub bezpieczeństwa. Jest to tzw. trylemat blockchaina. Deweloperzy, chcący rozwiązać ten problem, eksperymentują z różnymi mechanizmami konsensusu i rozwiązaniami skalowalności, takimi jak sharding, sidechainy i kanały stanów.
Wprowadzenie
W podstawowym ujęciu blockchain to rozproszona cyfrowa baza danych. Bloki danych są zorganizowane w porządku chronologicznym. Bloki są połączone i zabezpieczone dowodami kryptograficznymi. Wdrożenie tej technologii w różnych branżach już teraz zmienia sposób, w jaki pracujemy i żyjemy.
Chodzi o to, że zdecentralizowane i bezpieczne blockchainy pozwalają na stworzenie świata, w którym nie musimy polegać na stronach zewnętrznych, aby sieci lub rynki mogły funkcjonować. Eksperci są jednak zgodni, że jeśli ta technologia ma być szerzej przyjęta, istnieje podstawowy problem, który wymaga rozwiązania. Omawiany problem jest znany jako „trylemat blockchaina”.
Termin ten został spopularyzowany przez współtwórcę Ethereum, Vitalika Buterina. Aby miało to sens, musisz zdać sobie sprawę z trzech różnych elementów, które są pożądane w blockchainie: decentralizacja, bezpieczeństwo i skalowalność. Trylemat blockchaina odnosi się do idei, że trudno jest blockchainom osiągnąć optymalne poziomy wszystkich trzech właściwości jednocześnie. Zwiększanie jednego prowadzi zwykle do osłabienia drugiego.
W tym artykule przeanalizujemy wszystkie trzy elementy w trylemacie i wyjaśnimy, czym każdy z nich jest bardziej szczegółowo. Bardziej szczegółowe omówienie każdego z nich i sposobu, w jaki one do siebie pasują, zaowocuje lepszym zrozumieniem, jak i dlaczego w ogóle istnieje trylemat blockchaina. W artykule przedstawimy również niektóre rozwiązania sugerowane przez deweloperów.
Czym jest decentralizacja?
Bitcoin i podobne sieci blockchain są zdecentralizowane z założenia. Cała struktura jest taka, że nie ma jednej osoby czy organizacji odpowiedzialnej za wszystko. Jest ona zdecentralizowana. Warstwa sieciowa jest otwarta dla każdego, kto chce w niej uczestniczyć. W efekcie kontrola jest w pełni rozproszona, a nie sprawowana przez jeden podmiot. Każdy ma dostęp do tych samych danych. Jeśli ktoś spróbuje oszukać system, zmieniając rekordy na swoją korzyść, to reszta uczestników odrzuci wadliwe dane.
Może to być nieco techniczne, ale weźmy jako przykład sieć Bitcoin. Nie ma żadnej zewnętrznej kontroli. Porównaj to z potrzebą istnienia banków w systemie finansowym. Banki wymuszają zaufanie między osobami dokonującymi transakcji oraz dbają o prawidłowe prowadzenie wszystkich rejestrów. Blockchain Bitcoin dzieli się wszystkimi tymi danymi ze wszystkimi w sieci, aby można było je sprawdzić i potwierdzić, zanim zostaną dodane do cyfrowej bazy danych. W rezultacie powstaje system, który może istnieć bez potrzeby udziału stron zewnętrznych.
Decentralizacja daje możliwość istnienia tak zwanej Web3. W tej chwili mamy Web2 — dzisiejszy internet. Jest pełny stron i aplikacji kontrolowanych przez firmy, ale zawierających treści tworzone przez użytkowników. Web3 to kolejny krok. Internet, w którym zdecentralizowana technologia blockchain pozwala ludziom kontrolować własne dane i życie cyfrowe.
Należy jednak zauważyć, że ze względu na sposób działania tych rozproszonych systemów — z koniecznością uzgodnienia ważności wszelkich danych przez wielu uczestników — czas transakcji może się wydłużyć ze względu na sposób, w jaki informacje muszą być udostępniane i obrabiane. I tak, blockchainy muszą się skalować, czyli być zdolne do obsługi większej ilości danych w szybszym tempie. Do tego punktu wrócimy przy omawianiu skalowalności.
Dodatkowo, sen o decentralizacji utrzymuje się tylko wtedy, gdy bazowe blockchainy są bezpieczne. Jeśli blockchainowi brakuje bezpieczeństwa, to zły aktor może przejąć kontrolę i zmienić dane na swoją korzyść. Prowadzi to do drugiej części trylematu: bezpieczeństwa.
Czym jest bezpieczeństwo blockchaina?
Nie ma znaczenia, jak zdecentralizowany jest blockchain, jeśli brakuje mu bezpieczeństwa. Dobra sieć blockchain powinna być odporna na ataki ze strony złośliwych podmiotów. Systemy scentralizowane czerpią swoje bezpieczeństwo z faktu, że system jest zamknięty. Ktokolwiek sprawuje kontrolę, może zagwarantować, że dane są wolne od zakłóceń. Ale jak to osiągnąć w zdecentralizowanym systemie, w którym każdy może wziąć udział?
To skomplikowany temat, ale możemy wrócić do Bitcoina jako przykładu zdecentralizowanego bezpieczeństwa blockchain. Blockchain Bitcoina wykorzystuje kombinację kryptografii i mechanizmu konsensusu sieciowego zwanego Proof of Work (PoW). Jeśli chodzi o kryptografię, każdy blok ma rodzaj podpisu cyfrowego (lub hash). Każdy blok danych jest połączony w sposób, który nie może być naruszony, ponieważ wszelkie zmiany zmieniłyby hash bloku. Każda próba zmiany danych zostałaby szybko zidentyfikowana przez resztę sieci.
Mechanizm konsensusu PoW to kolejny element układanki. Pomaga zabezpieczyć ledger kryptowaluty. Na zrozumienie Proof of Work przeznaczyliśmy osobny artykuł, ale dla naszych celów zauważmy, że członkowie sieci mogą jedynie weryfikować nowe transakcje i dodawać je do ledgera za pomocą czynności znanej jako górnictwo. Polega ono na wykorzystaniu mocy obliczeniowej do rozwiązania zagadki matematycznej. Część procesu wymaga od tych komputerów wykonywania licznych funkcji hashowania. Ma to związek ze skalowalnością, ponieważ mechanizm PoW jest bezpieczny, ale stosunkowo powolny.
Należy również pamiętać, że im więcej uczestników (węzłów) jest w sieci, tym jest ona bardziej bezpieczna. Im większa liczba stron, tym trudniej jest jednemu złemu aktorowi przejąć kontrolę nad systemem. Odnosi się to do tak zwanego ataku 51%. Ogólny przegląd: jeśli pojedynczy podmiot (lub grupa złych aktorów) może kontrolować ponad 50% całkowitego współczynnika hashowania sieci blockchain, wówczas będą w stanie ominąć konsensus i zmienić dane łańcucha, aby odnieść korzyści, takie jak podwójne wydatkowanie tokenów.
W skrócie, bezpieczeństwo jest podstawowym wymogiem, aby blockchain odniósł sukces, ponieważ bez niego atakujący mogą przejąć kontrolę nad łańcuchem, czyniąc go bezużytecznym.
Czym jest skalowalność?
Skalowalność odnosi się do celu, jakim jest zbudowanie blockchaina, który może obsługiwać coraz więcej transakcji na sekundę. Skala jest wymagana, jeśli technologia blockchain ma służyć szerszemu społeczeństwu i być może miliardom użytkowników. Ale to jest obszar, w którym wciąż walczy wiele blockchainów.
Dzieje się tak dlatego, że decentralizacja i bezpieczeństwo są tak fundamentalne dla blockchaina, iż zwykle skupiają się na nich w pierwszej kolejności. Decentralizacja jest tak kluczowa dla etosu i celów blockchaina, gdyż leży w samym sercu większości uznanych blockchainów. Bezpieczeństwo, jak już mówiliśmy, jest podstawowym wymogiem, aby blockchain odniósł sukces i był użyteczny.
Jednak poprzez nadanie priorytetu decentralizacji i bezpieczeństwu, skalowalność staje się wyzwaniem. Liczba transakcji, które jest w stanie obsłużyć łańcuch, może być poważnie ograniczona. Scentralizowany system płatności, taki jak Visa, podaje, że jest w stanie obsłużyć 24 000 transakcji na sekundę. Dzieje się tak dlatego, iż sieć jest zamknięta i wolna od takich względów jak publiczne węzły i konsensus. Porównaj to z niektórymi z najbardziej znanych blockchainów.
Według Bloomberga w 2022: "Od września Bitcoin nie był w stanie obsłużyć więcej niż siedem transakcji na sekundę, a Ethereum, druga najpopularniejsza sieć, była ograniczona do około 15 na sekundę - kosmiczna różnica w porównaniu z konwencjonalnymi giełdami."
Jak wspomniano, te prędkości transakcji w blockchainie są ograniczone ze względu na sposób, w jaki informacje muszą być przetwarzane przez różnych uczestników tworzących zdecentralizowaną sieć, a także z powodu natury samego mechanizmu konsensusu PoW. Jeśli coraz więcej osób w społeczeństwie zacznie korzystać z technologii blockchain, sieci będą się zacinać ze względu na ograniczoną liczbę transakcji, które mogą obsłużyć.
Dlaczego istnieje trylemat blockchaina
Najbardziej oczywistym i podstawowym rozwiązaniem przedstawionego powyżej problemu jest zmniejszenie liczby uczestników potwierdzających i dodających do sieci dane w zamian za większą skalę i szybkość działania. Ale takie postępowanie prowadziłoby do osłabienia decentralizacji z kontrolą przekazaną mniejszej liczbie uczestników. A także doprowadziłoby do osłabienia bezpieczeństwa, bo mniejsza liczba graczy oznacza większą szansę na ataki.
Tak więc tutaj leży trylemat: biorąc pod uwagę związek między pożądanymi właściwościami decentralizacji i bezpieczeństwa, fundamentalna konstrukcja tego, jak działa blockchain, utrudnia jego skalowanie. Zwiększając jedno, osłabiasz drugie. Jak zwiększyć skalowalność bez niszczenia decentralizacji, bezpieczeństwa lub obu?
Rozwiązanie trylematu blockchaina
Nie ma jednego złotego rozwiązania tego trylematu. Ale biorąc pod uwagę znaczenie rozwiązania tego problemu, w społeczności pojawiło się wiele różnych podejść z interesującymi wynikami. Przyjrzyjmy się niektórym z najpopularniejszych zmian, aby zrozumieć, co dzieje się w przestrzeni:
1. Sharding
Jest to metoda dzielenia blockchaina (lub innych rodzajów baz danych) na mniejsze, partycjonowane blockchainy, które zarządzają określonymi segmentami danych. Taka konfiguracja odciąża pojedynczy łańcuch zajmujący się wszystkimi transakcjami i interakcjami w sieci. Każdy podzielony na partycje blockchain nosi nazwę shard i ma swój własny ledger. Te shardy mogą następnie przetwarzać swoje własne transakcje, ale beacon blockchain lub główny łańcuch zarządza interakcjami między shardami. To sprawia, że sharding jest uaktualnieniem skalowalności sieci Warstwy 1, ponieważ jest to zmiana w sieci głównej blockchaina.
2. Inny mechanizm konsensusu
Jednym z powodów istnienia trylematu w sieci Bitcoin jest sposób, w jaki PoW działa w celu zapewnienia bezpieczeństwa. Potrzeba górników, algorytmów kryptowalutowych i ogromnych ilości zdecentralizowanej mocy obliczeniowej prowadzi do powstania bezpiecznego systemu, ale powolnego. Znalezienie innego sposobu na zapewnienie konsensusu jest jednym z podejść do rozwiązania tego dylematu. Był to jeden z powodów przejścia Ethereum z PoW na Proof of Stake (PoS).
W blockchainach PoS uczestnicy biorący udział w walidacji transakcji muszą postawić (zablokować) swoje tokeny. Nie ma potrzeby stosowania wysoko wyspecjalizowanych maszyn górniczych. Dodanie większej liczby walidatorów do sieci jest prostsze i bardziej dostępne. PoS to tylko jedno z wielu różnych podejść do mechanizmów konsensusu z myślą o skalowalności.
3. Rozwiązania Warstwy-2
Zarówno sharding, jak i różne mechanizmy konsensusu są tak zwanymi rozwiązaniami Warstwy-1. Zmierzają do zmiany fundamentalnej konstrukcji sieci bazowej. Jednak inni twórcy chcący rozwiązać ten dylemat pracowali nad rozwiązaniami, które opierają się na istniejącej strukturze sieci. Innymi słowy, uważają, że odpowiedź leży w drugiej warstwie, czyli Warstwie 2. Przykładami mogą być sidechainy i kanały stanów
Sidechain to w zasadzie oddzielny blockchain połączony z głównym łańcuchem. Jest on ustawiony w taki sposób, że aktywa mogą swobodnie przepływać między nimi. Co ważne, sidechain może działać na innych zasadach, co pozwala na większą szybkość i skalę. Podobnie kanały stanowe to kolejny sposób na usunięcie transakcji z głównego łańcucha i złagodzenie presji na Warstwę 1. Kanał stanów wykorzystuje smart kontrakt, a nie oddzielny łańcuch, aby umożliwić użytkownikom interakcję ze sobą bez publikowania swoich transakcji na blockchainie. Blockchain zapisuje tylko początek i koniec kanału.
Przemyślenia końcowe
Trylemat skalowalności stoi na drodze do tego, by blockchain spełnił swój potencjał jako technologia zmieniająca świat. Jeśli sieci blockchain mogą obsługiwać tylko niewielką liczbę transakcji na sekundę w celu utrzymania decentralizacji i bezpieczeństwa, wówczas trudno będzie osiągnąć masową adopcję. Jednak rozwiązania proponowane obecnie przez deweloperów dążących do rozwiązania tego problemu sugerują, że postęp technologiczny, jaki już dokonał się dzięki blockchainowi, będzie tylko kontynuowany, a sieci te mogą w przyszłości być w stanie obsłużyć znacznie więcej danych.