Осторожно! Много текста.
Блокчейны могут обрабатывать ограниченное количество транзакций в секунду. Например, скорость обработки Биткоина составляет примерно 7 транзакций в секунду. Чтобы технологию блокчейна приняли во всем мире, она должна обрабатывать гораздо больше данных и на более высоких скоростях — так ее сможет использовать большое количество человек без замедления сети и повышения стоимости транзакций. Однако из-за фундаментального дизайна многих децентрализованных сетей увеличение масштабируемости ослабляет децентрализацию или безопасность. Это и есть так называемая трилемма блокчейна. Разработчики стремятся решить эту проблему, экспериментируя с различными механизмами консенсуса и решениями масштабирования, такими как шардинг, сайдчейны и каналы состояния.
Введение
Блокчейн — это распределенная цифровая база данных. Ее блоки данных организованы в хронологическом порядке. Они связаны между собой и защищены криптографическими механизмами. Внедрение этой технологии в различных отраслях уже меняет многие сферы работы и жизни.
Считается, что децентрализованные и безопасные блокчейны создают пространство, в котором сети и рынки могут функционировать без вмешательства третьих лиц. Однако эксперты полагают, что для более широкого внедрения этой технологии необходимо решить важную проблему — так называемую трилемму блокчейна.
Этот термин был популяризирован соучредителем Ethereum Виталиком Бутериным. Чтобы его понять, необходимо разобраться в трех ключевых характеристиках блокчейна: децентрализация, безопасность и масштабируемость. Трилемма блокчейна подразумевает, что блокчейну трудно достичь одинаково высокого уровня всех трех характеристик одновременно. Усиление одной из них обычно приводит к ослаблению другой.
В этой статье мы рассмотрим все три элемента трилеммы и подробно разберемся в особенностях каждого из них. Тщательное изучение каждого элемента и их взаимосвязи поможет понять суть трилеммы блокчейна. Помимо этого, мы рассмотрим некоторые решения, которые предлагают разработчики.
Что такое децентрализация
Дизайн Биткоина и подобных блокчейнов обеспечивает децентрализацию. Их структура подразумевает, что в сети нет ни единого лица или организации, контролирующих ее работу, то есть она децентрализована. В работе сети может участвовать любой желающий. В результате контроль над ней полностью распределен и не находится в руках одного лица. Все участники имеют доступ к одним и тем же данным. Если кто-то попытается обмануть систему, изменив записи в свою пользу, то остальные пользователи отвергнут ошибочные данные.
В качестве примера возьмем Биткоин и рассмотрим его подробнее. В этой сети нет третьей стороны, управляющей происходящим. Этим она отличается от банков. Банки контролируют доверие между сторонами транзакций и следят за корректной записью данных. Блокчейн Биткоина же делится этими данными со всем участниками сети, чтобы их можно было проверить и подтвердить перед добавлением в цифровую базу данных. В результате такая система может существовать без участия третьих лиц.
Благодаря децентрализации можно реализовать концепцию Web3. Текущая версия интернета называется Web2. В ней пользователи могут добавлять свой контент, но сами сайты и приложения контролируют компании. Web3 — это следующий шаг в эволюции интернета. Децентрализованная технология блокчейна позволит людям контролировать свои данные и деятельность в сети.
В распределенных системах множество участников должны подтверждать достоверность данных. Такой процесс может замедлять обработку транзакций, потому что пользователям нужно время на обмен и обработку информации. Чтобы решить эту проблему, блокчейн должен быть способен масштабироваться, то есть обрабатывать больше данных и быстрее. Мы еще вернемся к этому при обсуждении масштабируемости.
Кроме того, децентрализация помогает пользователям только в том случае, если блокчейны обеспечивают безопасность. В ином случае недобросовестные участники могут захватить контроль и изменить данные в мошеннических целях. Это приводит ко второй части трилеммы — безопасности.
Что такое безопасность блокчейна
Уровень децентрализации блокчейна не будет иметь значения, если он не гарантирует безопасность. Надежная сеть блокчейна должна быть устойчива к атакам злоумышленников. В централизованных системах безопасность обусловлена их закрытым характером. Контролирующий орган гарантирует невозможность стороннего вмешательства. Но как же достичь этого в децентрализованной общедоступной системе?
Давайте вернемся к нашему примеру с Биткоином — децентрализованным безопасным блокчейном. Блокчейн Биткоина использует сочетание криптографии и механизма консенсуса под названием Proof of Work (PoW). С точки зрения криптографии каждый блок имеет своего рода цифровую подпись (или хеш). Связь блоков друг с другом исключает возможность подделки данных, поскольку изменения приведут к изменению хеша блока. Любая попытка изменить данные будет быстро выявлена остальными участниками сети.
Механизм консенсуса PoW защищает криптовалютный реестр. Для описания механизма Proof of Work потребуется отдельная статья, но для наших целей отметим, что участники такой сети могут проверять новые транзакции и добавлять их в реестр посредством майнинга. То есть пользователи, проверяющие транзакции, используют вычислительные мощности для решения математических задач. В рамках майнинга эти компьютеры должны выполнять множество хеш-функций. Но тут возникает проблема масштабируемости, поскольку механизм PoW является безопасным, но относительно медленным.
Чем больше участников (нод) в сети, тем выше уровень безопасности и тем сложнее злоумышленнику захватить контроль над системой. Все это защищает от так называемой атаки 51%. Ее суть заключается в следующем: если злоумышленник (или группа злоумышленников) сможет контролировать более 50% общего хеширования сети, то он сможет влиять на консенсус и изменять данные в чейне в своих целях, например для двойного расходования токенов.
Одним словом, безопасность — это ключевое требование для успешной работы блокчейна, поскольку без нее злоумышленники могут взять чейн под контроль чейн, сделав его бесполезным.
Что такое масштабируемость?
Масштабируемость — это способность блокчейна увеличивать число обрабатываемых транзакций в секунду. Она необходима для того, чтобы привлечь в криптопространство широкую аудиторию и миллиарды потенциальных пользователей. Однако именно с этим у многих блокчейнов возникают трудности.
Децентрализация и безопасность являются ключевыми характеристиками блокчейна, потому на них обращают внимание в первую очередь. Децентрализацию считают важным средством достижения целей блокчейна, поэтому она лежит в основе большинства популярных проектов. А безопасность необходима для успешной и эффективной работы.
Однако при повышении уровня децентрализации и безопасности страдает масштабируемость. В результате этого значительно сокращается количество транзакций, которое может обрабатывать блокчейн. Централизованные платежные системы, например Visa, способны обрабатывать 24 000 транзакций в секунду благодаря закрытому характеру этих систем и отсутствию публичных нод и консенсуса. Давайте сравним это с устройством некоторых известных блокчейнов.
По данным Bloomberg 2022 года, в сентябре Биткоин мог обрабатывать не более 7 транзакций в секунду, а скорость обработки в Ethereum, второй по популярности сети, была ограничена примерно 15 транзакциями в секунду — это чрезвычайно мало по сравнению с обычными биржами.
Как упоминалось ранее, скорость транзакций в блокчейне ограничена из-за необходимости обрабатывать информацию различными участниками децентрализованной сети и особенностей самого механизма консенсуса PoW. Если число пользователей блокчейна возрастет, сети будут перегружены из-за ограниченного количества транзакций, которое они могут обрабатывать.
Почему существует трилемма блокчейна
Наиболее очевидным решением описанной проблемы является сокращение числа участников, подтверждающих и добавляющих данные в сеть, ради увеличения масштабирования и скорости. Однако это приведет к ослаблению децентрализации, поскольку сеть будет контролировать меньше людей. Будет ослаблена и безопасность, ведь чем меньше пользователей, тем выше риск атаки.
В этом и заключается трилемма: учитывая связь между важнейшими свойствами децентрализации и безопасности, фундаментальная конструкция блокчейна затрудняет его масштабирование. Усиление одной стороны ослабляет другую. Как же добиться масштабируемости без ущерба для децентрализации и безопасности?
Решение трилеммы блокчейна
К сожалению, не существует единого универсального решения этой трилеммы. Однако в сообществе разработали несколько подходов для решения этой проблемы. Давайте рассмотрим некоторых из наиболее популярных предложений, чтобы лучше понять текущее состояние криптопространства:
1. Шардинг
Это метод разделения блокчейна (или других типов баз данных) на более мелкие блокчейны, управляющие определенными сегментами данных. Благодаря этому механизму одному чейну не придется обрабатывать все транзакции и операции в сети. Каждый разделенный блокчейн называется шардом и имеет собственный реестр. Эти шарды обрабатывают свои транзакции, а основной блокчейн управляет взаимодействием шардов. Шардинг представляет собой решение масштабируемости первого уровня, поскольку он подразумевает изменение основной сети блокчейна.
2. Смена механизма консенсуса
Одна из причин существования трилеммы в сети Биткоин заключается в устройстве механизма PoW. Он обеспечивает безопасность за счет майнеров, криптоалгоритмов и огромных объемов децентрализованных вычислительных мощностей, но эти компоненты замедляют сеть. Одно из возможных решений трилеммы — смена механизма консенсуса. Именно это стало одной из причин перехода Ethereum с PoW на Proof of Stake (PoS).
В блокчейнах PoS участники, проверяющие транзакции, блокируют токены в стейкинге. Для этого вовсе не нужно специализированное оборудование для майнинга. Использование множества валидаторов в сети проще и доступнее. Но PoS — это лишь один из многих подходов к механизмам консенсуса без ущерба для масштабируемости.
3. Решения второго уровня
И шардинг, и механизмы консенсуса являются решениями первого уровня. Они стремятся изменить фундаментальную конструкцию базовой сети. Однако некоторые разработчики предлагают решения, которые строятся поверх существующей сетевой структуры. Другими словами, они считают, что ответ кроется на второй уровне. В качестве примера можно привести сайдчейны и каналы состояний.
Сайдчейн, по сути, является отдельным блокчейном, соединенным с основным. Дизайн сайдчейна позволяет свободно перемещать активы между ним и основным блокчейном. Важно отметить, что сайдчейн может работать по другим правилам и обеспечивать более высокую скорость и масштаб. Каналы состояния — это еще один способ вывести транзакции из основного чейна и ослабить давление на первом уровне. Канал состояния использует смарт-контракт, а не отдельный чейн, чтобы пользователи могли взаимодействовать друг с другом без предоставления данных о своих транзакциях в блокчейне. Блокчейн фиксирует только начало и конец действия канала.
Резюме
Трилемма масштабируемости стоит на пути реализации потенциала блокчейна, которая способна изменить мир. Если блокчейн обеспечивает децентрализацию и безопасность, но не способен обрабатывать множество транзакций, то будет сложно достичь массового внедрения. Однако разработчики ищут решения этой проблемы, за счет которых блокчейн будет развиваться дальше и сможет обрабатывать еще больше данных.