Недостаточная масштабируемость — ключевая проблема блокчейн-технологии, которую стремятся решить ведущие разработчики крупнейших сетей в течение последних лет. В условиях стремительного роста количества пользователей и проводимых ими транзакций, а также развития функционала децентрализованных приложений, изначальные технические решения испытывают давление и не всегда в состоянии обеспечить требуемую производительность.

В этой статье мы рассмотрим, каким образом ведущие программисты мира справляются с проблемами масштабируемости блокчейна сегодня и какие новые протоколы ожидают внедрения для повышения эффективности работы сетей в будущем.

Почему масштабируемость так важна

Масштабируемость — это способность системы выдерживать повышенные нагрузки без потери производительности. Применительно к блокчейн-технологиям — при пиковой нагрузке на сети, когда количество транзакций возрастает, система не в состоянии продемонстрировать достаточную пропускную способность при условии сохранения децентрализации и безопасности. В итоге проведение операций замедляется, их стоимость возрастает, а пользовательский опыт ухудшается.

Архитектура крупнейших блокчейнов, таких, как Bitcoin и Ethereum, не была изначально предназначена для поддержки такого объема трафика, который необходим сегодня. Ethereum в итоге перешел на более производительный алгоритм консенсуса Proof-of-Stake, а Bitcoin, продолжая оставаться на Proof-of-Work, активно применяет альтернативные решения для увеличения пропускной способности. Разработчики в поисках решений повышения производительности и снижения комиссий вынуждены успевать за постоянным притоком новых пользователей и усложнением функционала приложений, предлагая простые и эффективные решения по улучшению масштабируемости. 

Одна из основных задач — сделать блокчейн способным обрабатывать большой объем транзакций без ущерба для безопасности или децентрализации. То есть решить проблему так называемой “трилеммы блокчейна” с минимальными затратами и максимальной продуктивностью. Виталик Бутерин, сооснователь Ethereum, первый сформулировал концепцию трилеммы блокчейна применительно к системам распределенного реестра. Ее суть состоит в том, что основные атрибуты блокчейн-систем — децентрализация, безопасность и масштабируемость — не могут быть оптимизированы одновременно, без ущерба друг другу. То есть улучшение одного из них всегда идет за счет ослабления других. Если говорить на примерах действующих сетей, то, например, блокчейны Ripple и EOS демонстрируют высокие показатели масштабируемости и безопасности при некотором отходе от канонических принципов децентрализации, в то время как сети эфириума и биткоина являются максимально децентрализованными и безопасными, однако не могут при этом обеспечить требуемую масштабируемость. При управлении крупным блокчейном посредством разветвленной децентрализованной сети, каждый узел которой обеспечивает устойчивость к атакам и неизменяемость данных, очень сложно добиться улучшения способности блокчейна быстро обрабатывать растущее количество транзакций.

Какие технологии применяются для улучшения производительности блокчейн сетей

Для улучшения пропускной способности блокчейна применяются как решения, корректирующие архитектуру самой сети (L1), так и технологии второго уровня (L2), которые являются своего рода надстройками к материнскому блокчейну. Давайте остановимся на наиболее применимых из них на сегодняшний день.

Segregated Witness (SegWit) 

Технология SegWit — софтфорк биткоина, который высвобождает место в блоке засчет отделения подписи транзакций от самих транзакций. Цифровые подписи, которые являются подтверждением права собственности и доступности активов отправителя, забирают на себя около 70% пространства транзакций. При применении SegWit, увеличивается эффективный свободный размер каждого блока без фактического изменения лимита в 1 Мб.

Шардирование (Sharding)

Sharding и его роль в блокчейне сводится к идее структурирования блокчейна таким образом, что его отдельные части (шарды), могут синхронно обрабатывать транзакции. При применении шардинга хранилище данных распределяется между различными серверами. При этом каждый шард содержит определенные фрагменты данных, что обеспечивает возможность эффективной параллельной обработки запросов. Подобная сегрегация увеличивает общую вычислительную мощность сети, поскольку ее производительность становится суммой нескольких одновременных транзакций. 

Lightning Network (LN) 

Lightning Network  — протокол для масштабируемости, в основном, для Bitcoin. Запуск этой экосистемы обеспечил проведение моментальных транзакций и снижение комиссий в блокчейн-сетях до рекордных $0,01. Смысл этого протокола второго уровня в блокчейне заключается в переносе функционала, связанного со сбором информации о транзакциях и их верификации, за пределы основной сети и использования платежных каналов.

Каналы состояния (State Channels)

State Channels в блокчейне — простые одноранговые протоколы, позволяющие двум или более сторонам совершать транзакции вне основного блокчейна, таким образом снимая с него существенную часть нагрузки. Непосредственно в самой сети фиксируются только итоги проведенных операций. Применяются в Raiden Network, Celer Network и других в качестве основной технологии для масштабирования блокчейна.

Сайдчейны (Sidechains) 

Сайдчейны — это независимые блокчейны, связанные с основной сетью при помощи двусторонних мостов. Сайдчейны и их применение характерны тем, что они не наследуют безопасность базового блокчейна. Они обладают отдельной системой защиты и в случае взлома сайдчейна ущерб наносится в пределах его системы. Сайдчейны выполняют конкретные задачи и могут работать автономно, применяя уникальные настройки консенсуса или размера блоков. Например, существуют сайдчейны биткоина, предназначенные для одновременного майнинга двух отдельных криптовалют.  

Роллапы (Rollups) 

Ethereum 2.0 — это серия обновлений, задача которых улучшить масштабируемость сети. Разработчики крупнейшего блокчейна для развертывания DApps и инструментов DeFi уделяют огромное внимание созданию моделей и механизмов, нацеленных на улучшение производительности. Rollups как решение масштабируемости — основная технология для протоколов второго уровня в сети Ethereum. В последнее время во многих роллапах (ZK-rollups) применяется методика доказательства с нулевым знанием (Zero-Knowledge-Proof), которая подтверждает транзакции без раскрытия деталей об адресате, адресанте и суммах. Они предоставляют более высокий уровень защиты в сравнении с оптимистичными роллапами (Optimistic rollups), которые запускают проверку только в случае возникновения спорных ситуаций. 

Суть роллапа как Layer 2 решения для блокчейна — сворачивание большого количества транзакций в “пакет”, который обрабатывается за пределами основного блокчейна, с дальнейшей отправкой доказательства их достоверности в основную сеть. “Пакет” может содержать тысячи транзакций, при этом количество данных, поступающих в блокчейн — минимально. 

Плазма (Plasma) 

Плазма — протокол для масштабирования, предназначенный для создания децентрализованных приложений в сайдчейнах. Это уникальное решение второго уровня для блокчейна, презентованное Виталиком Бутериным, представляет собой целую систему из множества смарт-контрактов, которая позволяет обрабатывать огромные массивы данных с минимальным вовлечением основной сети. 

Масштабирование блокчейна: новые протоколы

С ростом количества решений масштабирования, а также после возможности сравнения решений второго уровня по итогам их функционирования с определением сильных и слабых сторон, определилась потребность в повышении их качества и юзабильности. 

Сейчас ведутся дискуссии о применимости так называемого третьего уровня решений, и многие разработчики именно с ним связывают будущее масштабируемости блокчейнов. Однако, некоторые специалисты все же считают, что есть и “более легкие” способы обеспечивать в дальнейшем недорогие и быстрые транзакции в блокчейне. Однако, на сегодняшний день, большинство новейших разработок по оптимизации работы блокчейн-систем, можно отнести к высшему уровню кастомизации, то есть к Layer 3.

Почти все решения третьего уровня построены вокруг сети второй по капитализации криптовалюты в мире. Ethereum в его сегодняшнем виде невозможно представить себе без системы обеспечения масштабируемости блокчейна на базе решений второго уровня. 

Layer 3 — следующий уровень — называют “слоем DApps”. На нем разработчики кастомизируют настройки децентрализованных приложений поверх второго уровня, расширяя их функционал и производительность. Они повышают качество работы DApps в таких сферах, требующих высокой производительности, как GameFi, DeFi, RWA, IoT и других. Наличие решений L2, таких, как роллапы или сайдчейны, дают возможность третьему уровню выполнять сложные вычисления офчейн и повышать свою эффективность. Однако, на третьем уровне также применяются дополнительные решения масштабируемости. Такие, например, как:

• апчейны (appchains), предназначенные для оптимизации работы приложений с точки зрения “специфических нужд DApps”. Команда StarkWare, которая представила разработку этим летом, говорит о том, что апчейны способны удешевлять и ускорять транзакции, подстраиваясь под конфигурацию сети.
• валидиумы (validiums), применяющие ZKP при офчейн-проверке транзакций для повышения пропускной способности.
• оптимумы (Optimums), решение для L3, сходное по принципу с оптимистическими роллапами. 

То есть, решения Layer 3 предназначены для выполнения неких индивидуализированных функций для Layer 2, разрабатывающих кастомные, нишевые проекты, а не только для решения проблем, связанных с масштабируемостью. 

Вот, например, крупнейшим по TVL ($164 млн) среди решений третьего уровня на конец сентября 2024 года был проект zkLink Nova. Его фишка — уже готовый к использованию, высоко настраиваемый слой для трейдинга в экосистеме Ethereum. В нем по умолчанию уже действует высокая масштабируемость, обеспеченная ZK-роллапами. Или же набирающее популярность L3-решение Arbitrum Orbit, позволяющее создавать максимально индивидуализированные приложения на базе Arbitrum. Orbit был запущен летом прошлого года, а сегодня его экосистема объединяет уже 16 проектов в сфере DeFi и GameFi. 

В заключение

Проблема масштабируемости блокчейнов пока находится на стадии выявления наиболее эффективных инструментов, которые позволят увеличить пропускную способность и общую продуктивность работы блокчейн-систем. Бурный рост рынка криптовалют и DeF, развитие децентрализованных приложений и альтернативных новых технологий, таких как искусственный интеллект, машинное обучение, интернет вещей и других, не дают разработчикам ни малейшей возможности снижать темп. Поэтому будем ожидать новых высокоэффективных решений уже в ближайшем будущем.

Благодарим за внимание к нашей статье. Инвестируйте безопасно и выгодно!

AnyExchange — криптовалютный обменник, успешно функционирующий на финансовом рынке более 5 лет. С помощью нашей платформы вы сможете конвертировать популярные цифровые активы по самому выгодному курсу валют. Мы работаем как с электронными, так и наличными деньгами. Сервис сотрудничает с ведущими международными платежными системами и проводит платежи на банковские карты. На сайте доступны быстрые и анонимные денежные переводы по всему миру.