Недостатня масштабованість — ключова проблема блокчейн-технології, яку прагнуть вирішити провідні розробники найбільших мереж протягом останніх років. В умовах стрімкого зростання кількості користувачів і транзакцій, що проводяться ними, а також розвитку функціоналу децентралізованих додатків, початкові технічні рішення зазнають тиску і не завжди в змозі забезпечити необхідну продуктивність.

У цій статті ми розглянемо, яким чином провідні програмісти світу справляються з проблемами масштабованості блокчейну сьогодні і які нові протоколи очікують на впровадження для підвищення ефективності роботи мереж у майбутньому.

Чому масштабованість така важлива

Масштабованість — це здатність системи витримувати підвищені навантаження без втрати продуктивності. Стосовно блокчейн-технологій — при піковому навантаженні на мережі, коли кількість транзакцій зростає, система не в змозі продемонструвати достатню пропускну здатність за умови збереження децентралізації та безпеки. У результаті проведення операцій уповільнюється, їх вартість зростає, а досвід користувача погіршується.

Архітектура найбільших блокчейнів, таких як Bitcoin і Ethereum, не була спочатку призначена для підтримки такого обсягу трафіку, який необхідний сьогодні. Ethereum у результаті перейшов більш продуктивний алгоритм консенсусу Proof-of-Stake, а Bitcoin, продовжуючи залишатися на Proof-of-Work, активно застосовує альтернативні рішення збільшення пропускну здатність. Розробники у пошуках рішень підвищення продуктивності та зниження комісій змушені встигати за постійним припливом нових користувачів та ускладненням функціоналу додатків, пропонуючи прості та ефективні рішення щодо покращення масштабованості.

Одне з основних завдань — зробити блокчейн здатним обробляти великий обсяг транзакцій без шкоди для безпеки чи децентралізації. Тобто розв’язати проблему так званої “трилеми блокчейну” з мінімальними витратами та максимальною продуктивністю. Віталік Бутерін, співзасновник Ethereum, перший сформулював концепцію трилеми блокчейну стосовно систем розподіленого реєстру. Її суть полягає в тому, що основні атрибути блокчейн-систем — децентралізація, безпека та масштабованість — не можуть бути оптимізовані одночасно, без шкоди один одному. Тобто покращення одного з них завжди відбувається коштом ослаблення інших. Якщо говорити на прикладах наявних мереж, то, наприклад, блокчейни Ripple та EOS демонструють високі показники масштабованості та безпеки при певному відході від канонічних принципів децентралізації, у той час, як мережі ефіріуму та біткоїну є максимально децентралізованими та безпечними, проте не можуть при цьому забезпечити необхідну масштабованість. При управлінні великим блокчейном за допомогою розгалуженої децентралізованої мережі, кожен вузол якої забезпечує стійкість до атак і незмінність даних, дуже складно домогтися поліпшення здатності блокчейну швидко обробляти кількість транзакцій, що зростає.

Які технології застосовуються для покращення продуктивності блокчейн мереж

Для поліпшення пропускної спроможності блокчейну застосовуються як рішення, корегують архітектуру самої мережі (L1), і технології другого рівня (L2), які є свого роду надбудовами до материнського блокчейну. Зупинімося на найбільш застосовних із них на сьогодні.

Segregated Witness (SegWit)

Технологія SegWit — софтфорк біткоїну, який вивільняє місце в блоці шляхом відокремлення підпису транзакцій від самих транзакцій. Цифрові підписи, які є підтвердженням права власності та доступності активів відправника, забирають близько 70% простору транзакцій. При застосуванні SegWit збільшується ефективний вільний розмір кожного блоку без фактичної зміни ліміту в 1 Мб.

Шардування (Sharding)

Sharding та його роль у блокчейні зводиться до ідеї структурування блокчейну таким чином, що його окремі частини (шарди) можуть синхронно обробляти транзакції. При застосуванні шардингу сховище даних розподіляється між різними серверами. При цьому кожен шард містить певні фрагменти даних, що забезпечує можливість ефективної паралельної обробки запитів. Подібна сегрегація збільшує загальну обчислювальну потужність мережі, оскільки її продуктивність стає сумою кількох одночасних транзакцій.

Lightning Network (LN)

Lightning Network — протокол для масштабованості, в основному, для Bitcoin. Запуск цієї екосистеми забезпечив проведення моментальних транзакцій та зниження комісій у блокчейн-мережах до рекордних $0,01. Сенс цього протоколу другого рівня в блокчейні полягає у перенесенні функціоналу, пов’язаного зі збором інформації про транзакції та їх верифікацію, за межі основної мережі та використання платіжних каналів.

Канали стану (State Channels)

State Channels в блокчейні — прості однорангові протоколи, що дозволяють двом або більше сторонам здійснювати транзакції поза основним блокчейном, таким чином знімаючи з нього істотну частину навантаження. Безпосередньо у самій мережі фіксуються лише підсумки проведених операцій. Застосовуються в Raiden Network, Celer Network та інших як основну технологію для масштабування блокчейну.

Сайдчейни (Sidechains)

Сайдчейни це незалежні блокчейни, пов’язані з основною мережею за допомогою двосторонніх мостів. Сайдчейни та їх застосування характерні тим, що вони не успадковують безпеку базового блокчейну. Вони мають окрему систему захисту й у разі злому сайдчейну шкода завдається в межах його системи. Сайдчейни виконують конкретні завдання та можуть працювати автономно, застосовуючи унікальні налаштування консенсусу або розміру блоків. Наприклад, існують сайдчейни біткоїну, призначені для одночасного майнінгу двох окремих криптовалют.

Ролапи (Rollups)

Ethereum 2.0 — це серія оновлень, завдання яких покращити масштабованість мережі. Розробники найбільшого блокчейну для розгортання DApps та інструментів DeFi приділяють величезну увагу створенню моделей та механізмів, націлених на покращення продуктивності. Rollups як рішення масштабованості — основна технологія для протоколів другого рівня мережі Ethereum. Останнім часом у багатьох роллапах (ZK-rollups) застосовується методика доказу з нульовим знанням (Zero-Knowledge-Proof), яка підтверджує транзакції без розкриття деталей про адресата, адресанта та суми. Вони надають вищий рівень захисту порівняно з оптимістичними роллапами (Optimistic rollups), які запускають перевірку лише у разі спірних ситуацій.

Суть ролапа як Layer 2 рішення для блокчейну — згортання великої кількості транзакцій у пакет, який обробляється за межами основного блокчейну, з подальшою відправкою доказу їх вірогідності в основну мережу. “Пакет” може містити тисячі транзакцій, при цьому кількість даних, що надходять до блокчейну — мінімальна.

Плазма (Plasma)

Плазма — протокол масштабування, призначений для створення децентралізованих програм у сайдчейнах. Це унікальне рішення другого рівня для блокчейну, презентоване Віталіком Бутеріним, є цілою системою з безлічі смарт-контрактів, яка дозволяє обробляти величезні масиви даних з мінімальним залученням основної мережі.

Масштабування блокчейну: нові протоколи

Зі зростанням кількості рішень масштабування, а також після можливості порівняння рішень другого рівня за підсумками їх функціонування з визначенням сильних та слабких сторін, визначилася потреба у підвищенні їхньої якості та юзабільності.

Наразі точаться дискусії щодо застосовності так званого третього рівня рішень, і багато розробників саме з ним пов’язують майбутнє масштабованості блокчейнів. Проте, деякі фахівці все ж таки вважають, що є і “легші” способи забезпечувати надалі недорогі та швидкі транзакції в блокчейні. Однак, на сьогодні, більшість новітніх розробок з оптимізації роботи блокчейн-систем можна віднести до вищого рівня кастомізації, тобто до Layer 3.

Майже всі рішення третього рівня побудовані навколо мережі другої капіталізації криптовалюти у світі. Ethereum у його сьогоднішньому вигляді неможливо уявити без системи забезпечення масштабованості блокчейну на базі рішень другого рівня.

Layer 3 — наступний рівень — називають “шаром DApps”. На ньому розробники кастомізують налаштування децентралізованих додатків поверх другого рівня, розширюючи їх функціонал та продуктивність. Вони підвищують якість роботи DApps у таких сферах, що потребують високої продуктивності, як GameFi, DeFi, RWA, IoT та інших. Наявність рішень L2, таких, як ролапи чи сайдчейни, дають можливість третьому рівню виконувати складні обчислення офчейн та підвищувати свою ефективність. Проте, третьому рівні також застосовуються додаткові рішення масштабируемости. Такі, наприклад, як:

• аппчейни (appchains), призначені оптимізації роботи додатків з погляду “специфічних потреб DApps”. Команда StarkWare, яка представила розробку цього літа, говорить про те, що аппчейни здатні здешевлювати та прискорювати транзакції, підлаштовуючись під конфігурацію мережі.
• валідіуми (validiums), що застосовують ZKP при офчейн-перевірці транзакцій підвищення пропускної спроможності.
• оптимуми (Optimums), рішення для L3, схоже за принципом оптимістичними ролапами.

Тобто рішення Layer 3 призначені для виконання деяких індивідуалізованих функцій для Layer 2, що розробляють кастомні, нішові проєкти, а не тільки для розв’язання проблем, пов’язаних з масштабованістю.

Ось, наприклад, найбільшим за TVL ($164 млн) серед рішень третього рівня на кінець вересня 2024 року був проєкт zkLink Nova. Його фішка — вже готовий до використання, шар, що високо налаштовується для трейдингу в екосистемі Ethereum. У ньому за умовчанням вже діє висока масштабованість, забезпечена ZK-ролапами. Або ж набирає популярності L3-рішення Arbitrum Orbit, що дозволяє створювати максимально індивідуалізовані програми на базі Arbitrum. Orbit було запущено влітку минулого року, а сьогодні його екосистема поєднує вже 16 проєкт у сфері DeFi та GameFi.

На закінчення

Проблема масштабованості блокчейнів поки що знаходиться на стадії виявлення найбільш ефективних інструментів, які дозволять збільшити пропускну здатність та загальну продуктивність роботи блокчейн-систем. Бурхливе зростання ринку криптовалют та DeF, розвиток децентралізованих додатків та альтернативних нових технологій, таких як штучний інтелект, машинне навчання, інтернет речей та інших, не дають розробникам жодної можливості знижувати темп. Тому чекатимемо на нові високоефективні рішення вже в найближчому майбутньому.

Дякуємо за увагу до нашої статті. Інвестуйте безпечно та вигідно!

AnyExchange — криптовалютний обмінник, який успішно функціонує на фінансовому ринку понад 5 років. За допомогою нашої платформи ви зможете конвертувати популярні цифрові активи за найвигіднішим курсом валют. Ми працюємо як з електронними грошима, так і з готівкою. Сервіс співпрацює з провідними міжнародними платіжними системами та проводить платежі на банківські картки. На сайті доступні швидкі та анонімні грошові перекази по всьому світу.