Понять проблему трилеммы практичного блокчейна

Дилемма трех характеристик

Существует неотъемлемая задача в продвижении глобального принятия технологии блокчейн. Это сложность одновременного достижения баланса трех основных характеристик: безопасности, децентрализации и масштабируемости. Это и есть проблема, называемая трилеммой, которая указывает на структурное противоречие, при котором усиление одной характеристики неизбежно ослабляет другую.

Чтобы блокчейн действительно работал, необходимо значительно увеличить количество транзакций в секунду (TPS), которые сеть может обрабатывать. Однако многие современные публичные блокчейны имеют тенденцию ухудшать децентрализацию и безопасность при попытках повысить масштабируемость. В ответ на эту основную дилемму в отрасли пробуются различные технические подходы.

Суть децентрализованной сети

Блокчейн — это, грубо говоря, распределенная цифровая база данных. Блоки данных организованы в хронологическом порядке и связаны с помощью криптографических доказательств.

Основное преимущество децентрализации заключается в исключении централизованного управления со стороны определенных компаний или отдельных лиц. Все участники сети имеют доступ к одной и той же бухгалтерской книге, и могут коллективно проверять и предотвращать подделку записей о транзакциях. Именно благодаря этой децентрализации Биткойн смог реализовать платежную систему, не требующую центрального банка.

Однако, поскольку необходимо, чтобы множество участников достигло консенсуса, скорость обработки будет медленнее по сравнению с централизованными системами. Это становится ограничением масштабируемости и является одной из причин трилеммы.

Балансировка между обеспечением безопасности и скоростью обработки

Безопасность блокчейна достигается за счет комбинации криптографических технологий и механизмов консенсуса. В биткойне, который использует механизм доказательства работы (PoW), майнеры проверяют транзакции, решая сложные математические задачи. Эта вычислительно затратная система значительно увеличивает стоимость атак на сеть, обеспечивая безопасность.

Однако этот дизайн безопасности ограничивает производительность биткойна примерно до 5 TPS. С другой стороны, базовый уровень эфириума также остается на уровне примерно 18 TPS. Преодоление этих ограничений при сохранении безопасности и децентрализации станет ключом к решению трилеммы.

В теории, если один субъект контролирует более половины вычислительной мощности сети, это может привести к атаке 51% и увеличить вероятность мошенничества, такого как двойная трата. Для предотвращения этого требуется достаточная степень децентрализации, но чем выше степень децентрализации, тем больше времени требуется для достижения консенсуса, что приводит к порочному кругу снижения масштабируемости.

Текущее состояние и проблемы масштабируемости

Централизованные платежные системы, такие как Visa, могут обрабатывать тысячи транзакций в секунду. Это возможно благодаря тому, что в закрытой разрешенной среде небольшое количество узлов принимает решения.

В отличие от этого, в публичных блокчейнах все валидаторы должны проверять транзакции. Этот децентрализованный процесс проверки безопасен, но значительно ограничивает пропускную способность. Если игнорировать масштабируемость и увеличивать использование сети, избежать перегрузки и роста комиссий за транзакции невозможно.

Переход на доказательство доли (PoS) также будет частичным улучшением, но все еще требует консенсуса от распределенных узлов по всему миру и не является фундаментальным решением.

Многосторонний подход к решению трилеммы

Отрасль одновременно исследует несколько технических подходов, и некоторые из них действительно приносят многообещающие результаты.

Распределение нагрузки с помощью шардинга

Шардинг — это механизм, который делит блокчейн на несколько независимых маленьких участков (шардов), каждый из которых обрабатывает транзакции параллельно. В модели Nightshade 2.0 протокола NEAR несколько параллельных шардов динамически масштабируют сеть, и к 2025 году будет работать 8 активных шардов, обеспечивающих время подтверждения транзакций около 600 миллисекунд.

Применение различных механизмов консенсуса

Существуют попытки отрегулировать баланс характеристик трилеммы благодаря различным проектам консенсуса. В PoS стать валидатором можно просто ставя токены, что снижает барьер для участия и увеличивает децентрализацию.

Доказательство полномочий (PoA) — это метод, который отдает приоритет масштабируемости, сосредоточив полномочия у проверенных валидаторов. BNB Smart Chain использует доказательство ставленных полномочий (PoSA), которое сочетает элементы PoS и PoA, что обеспечивает сбалансированный дизайн. Сеть Conflux использует элементы доказательства работы, сочетая их со структурой направленного ациклического графа (DAG), пробуя другой подход.

Поэтапное масштабирование с помощью Layer 2

Наиболее практичным краткосрочным решением являются решения второго уровня. Вместо изменения основной цепи, они строятся поверх нее, что позволяет осуществлять обработку транзакций вне цепи.

Технология ролл-апов позволяет сжимать несколько транзакций и отправлять их на основную цепочку в виде единого доказательства. Оптимистичные ролл-апы, такие как Arbitrum и Scroll, обеспечивают ускорение, сохраняя все детали транзакций, в то время как ролл-апы с нулевым знанием проверяют действительность с помощью криптодоказательства. Эфириум эволюционирует в структуру, ориентированную на ролл-апы, что значительно улучшает масштабируемость экосистемы DeFi.

Состояние канала — это механизм, при котором только состояния в начале и в конце транзакции записываются в блокчейн, а участники могут свободно совершать сделки вне цепочки. Lightning Network биткойна использует этот метод, переводя большую часть процедур вне цепочки и осуществляя окончательные расчеты на базовом уровне, что обеспечивает быстрые и низкозатратные расчеты.

Возможность решения трилеммы и будущее

Сейчас не существует блокчейна, который бы полностью “решил” трилемму. Однако дорожная карта Ethereum, сосредоточенная на роллапах, и новые высокопроизводительные модульные блокчейны показывают практические пути.

Эти технологические инновации приближают нас к реальности повышения масштабируемости без ущерба для безопасности и децентрализации, и наступает эпоха, когда операции глобальных приложений будут осуществляться на блокчейне.