What Is the Blockchain Trilemma?

Binance Academy · 2022-11-05T01:43:01.000Z

TL;DR Blockchains can only handle a limited number of transactions per second. The Bitcoin network, for example, can process around seven transactions per second. If blockchain technology is to be adopted globally, it should be able to handle much more data, and at faster speeds, so that more people can use the network without it becoming too slow or expensive to use. However, the fundamental design of many decentralized networks means that increasing scalability tends to weaken decentralization or security. This is what’s known as the blockchain trilemma. Developers looking to solve this problem are experimenting with different consensus mechanisms and scalability solutions, such as sharding, sidechains, and state channels. Introduction In basic terms, a blockchain is a distributed digital database. Blocks of data are organized in chronological order. The blocks are linked and secured by cryptographic proofs. The implementation of this technology across different industries is already changing how we work and live. The idea is that decentralized and secure blockchains allow for a world where we don’t need to rely on third parties for networks or markets to function. However, experts generally agree that if this tech is to be more widely adopted there’s a core problem that needs solving. The problem in question is known as the “blockchain trilemma”. This term was popularized by Ethereum co-founder Vitalik Buterin. For it to make sense, you need to be aware of three different elements that are desirable in a blockchain: decentralization, security, and scalability. The blockchain trilemma refers to the idea that it’s hard for blockchains to achieve optimal levels of all three properties simultaneously. Increasing one usually leads to a weakening of another. This article will examine all three elements in the trilemma and explain what each one is in more detail. Discussing each in more depth, and how they fit together, will result in a better understanding of how and why the blockchain trilemma exists. This article will also highlight some of the solutions that have been suggested by developers. What is decentralization? Bitcoin and similar blockchain networks are decentralized by design. The whole structure is such that there is no one person or organization in charge. Rather, it is decentralized. The network layer is open to anyone who wants to participate. As a result, control is fully distributed rather than held by one single entity. Everyone has access to the same data. If anyone tries to cheat the system by changing the records in their favor, then the rest of the participants will reject the faulty data. This can get quite technical, but let’s take the Bitcoin network as an example. There is no third party in control. Compare this with the need for banks in the financial system. The banks enforce trust between people transacting, and ensure all records are kept correctly. The Bitcoin blockchain, however, shares all that data with everyone on the network, so that it can be checked and confirmed, before being added to the digital database. The result is a system that can exist without the need for third parties. Decentralization offers the possibility of what is known as Web3. Right now we have Web2 — the internet of today. It’s full of sites and apps controlled by companies, but featuring content made by the users. Web3 is the next step. An internet where decentralized blockchain tech lets people control their own data and online lives. One thing to note, however, is that because of how these distributed systems work — with a need for a wide range of participants to agree on the validity of any data — transaction times can be slow due to the way information needs to be shared and processed. And so, blockchains need to scale, which is to say be capable of handling more data at faster speeds. We’ll come back to this point when discussing scalability. Additionally, the decentralized dream only holds if the underlying blockchains are secure. If a blockchain lacks security, then a bad actor can take control and change the data in their favor. This leads to the second part of the trilemma: security. What is blockchain security? It doesn’t matter how decentralized a blockchain is if it lacks security. A good blockchain network should be resistant to attacks from malicious entities. Centralized systems derive their security from the fact that the system is closed. Whoever is in control can guarantee the data is free from interference. But how is this achieved in a decentralized system where anyone can take part? It’s a complicated topic, but we can return to Bitcoin as an example of decentralized blockchain security. The Bitcoin blockchain uses a combination of cryptography and a network consensus mechanism called Proof of Work (PoW). In terms of cryptography, each block has a kind of digital signature (or hash). Each block of data is connected in a way that can’t be tampered with because any changes would alter a block’s hash. Any attempt to change the data would be quickly identified by the rest of the network. The PoW consensus mechanism is another part of the puzzle. It helps secure the cryptocurrency’s ledger. Understanding Proof of Work is a whole article in itself, but for our purposes, note that members of the network can only verify new transactions and add them to the ledger through an activity known as mining. This involves using computational power to solve a mathematical puzzle. Part of the process requires these computers to perform numerous hashing functions. This plays into the issue of scalability, as the PoW mechanism is secure but relatively slow. Also note that the more participants (nodes) there are in the network, the more secure it is. The greater the number of parties, the harder it becomes for one bad actor to take control of the system. This relates to what is known as the 51% attack. As an overview: if a single entity (or group of bad actors) can control more than 50% of a blockchain’s total network hashing rate, then they would be able to override consensus and change the chain’s data to benefit themselves, such as double spending tokens. In short, security is a fundamental requirement for a blockchain to be successful because, without it, attackers can take control of the chain, rendering it useless. What is scalability? Scalability refers to the goal of building a blockchain that can support more and more transactions per second. Scale is required if blockchain tech is to serve wider society and possibly billions of users. But this is where a lot of blockchains still struggle. This is because decentralization and security are so fundamental to blockchain that they tend to be focused on first. Decentralization is so central to the ethos and goals of blockchain that it lies at the very heart of most recognized blockchains. Security, as we’ve discussed, is a core requirement for a blockchain to be successful and useful. However, by prioritizing decentralization and security, scalability becomes a challenge. The number of transactions a chain can handle can be severely limited. A centralized payment system such as Visa states that it’s able to support 24,000 transactions per second. This is because the network is closed, and free from considerations such as public nodes and consensus. Compare this with some of the best-known blockchains. According to Bloomberg in 2022: “As of September, Bitcoin was unable to handle more than seven transactions per second and Ethereum, the second-most popular network, was limited to about 15 per second — a lifetime compared to conventional exchanges.” As mentioned, these blockchain transaction speeds are limited due to the way the information needs to be processed by the different participants that make up the decentralized network, and the nature of the PoW consensus mechanism itself. If more and more people in society begin to use blockchain technology, the networks will become jammed due to the limited number of transactions they can handle. Why the blockchain trilemma exists The most obvious and basic solution to the problem outlined above is to reduce the number of participants confirming and adding to the network data in exchange for greater scale and speed. But doing so would lead to a weakening of decentralization with control handed to a smaller number of participants. And it would also lead to a weakening of security as fewer players means a higher chance of attacks. So here lies the trilemma: given the connection between the desired properties of decentralization and security, the fundamental design of how blockchain works makes it hard to scale. Increase one, and you weaken another. How do you push scalability without damaging decentralization, security, or both? Solving the blockchain trilemma There is no one golden solution to the trilemma. But given the importance of solving this problem, there have been a number of different approaches within the community with interesting results. Let’s run through an overview of some of the most popular developments to give you an understanding of what’s happening in the space: 1. Sharding This is a method of splitting blockchains (or other types of databases) into smaller, partitioned blockchains that manage specific data segments. This setup takes the stress off a single chain dealing with all transactions and interactions on a network. Each partitioned blockchain is known as a shard and has its specific ledger. These shards can then process their own transactions, but a beacon blockchain or main chain manages interactions between shards. This makes sharding a Layer 1 network scalability upgrade, as it’s a change to the mainnet of a blockchain. 2. Different consensus mechanism One of the reasons the trilemma exists in the Bitcoin network is because of the way PoW works to ensure security. The need for miners, crypto algorithms, and huge amounts of decentralized computing power leads to a secure system, but a slow one. Finding a different way to secure consensus is one approach to solving the trilemma. This was one of the reasons behind Ethereum's move from PoW to Proof of Stake (PoS). In PoS blockchains, participants involved in validating transactions must stake (lock) their tokens. There’s no need for highly specialized mining machines. Adding more validators to the network is simpler and more accessible. PoS is just one of many different approaches to consensus mechanisms with scalability in mind. 3. Layer-2 solutions Both sharding and different consensus mechanisms are what are known as Layer-1 solutions. They look to change the fundamental design of the underlying network. But other developers seeking to solve the trilemma have been working on solutions that build on top of an existing network structure. In other words, they think the answer lies in a second layer, or Layer 2. Examples of this include sidechains and state channels. A sidechain is basically a separate blockchain connected to the main chain. It’s set up in a way that assets can flow freely between the two. Importantly, the sidechain can operate under different rules, allowing for greater speed and scale. Similarly, state channels are another way of taking transactions off the main chain and easing pressure on Layer 1. A state channel uses a smart contract, rather than a separate chain, to enable users to interact with each other without publishing their transactions to the blockchain. The blockchain only records the start and end of the channel. Closing thoughts The scalability trilemma stands in the way of blockchain fulfilling its potential as a technology to change the world. If blockchain networks can only handle a small number of transactions per second in order to maintain decentralization and security, then it will be difficult to reach mass adoption. However, the solutions currently put forward by developers seeking to solve this problem suggest that the technological advances already made by blockchain will only continue, and these networks may well be able to handle much more data in the future.

TL;DR
Blockchainy mogą obsłużyć 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 przy większych prędkościach, tak aby więcej osób mogło korzystać z sieci, nie powodując, że korzystanie z niej stanie się zbyt wolne lub kosztowne. Jednak podstawowa konstrukcja wielu zdecentralizowanych sieci oznacza, że ​​rosnąca skalowalność zwykle osłabia decentralizację lub bezpieczeństwo. Jest to tak zwany trylemat blockchain. Programiści chcący rozwiązać ten problem eksperymentują z różnymi mechanizmami konsensusu i rozwiązaniami w zakresie skalowalności, takimi jak sharding, sidechains i kanały stanu.
WstępMówiąc najprościej, blockchain to rozproszona cyfrowa baza danych. Bloki danych są zorganizowane w porządku chronologicznym. Bloki są ze sobą powiązane i zabezpieczone dowodami kryptograficznymi. Wdrożenie tej technologii w różnych branżach już zmienia sposób, w jaki pracujemy i żyjemy.
Pomysł jest taki, że zdecentralizowane i bezpieczne łańcuchy bloków pozwalają na świat, w którym nie musimy polegać na stronach trzecich, aby sieci lub rynki mogły funkcjonować. Jednak eksperci ogólnie zgadzają się, że jeśli ta technologia ma zostać szerzej zastosowana, istnieje podstawowy problem, który wymaga rozwiązania. Problem, o którym mowa, znany jest jako „trylemat Blockchain”.
Termin ten spopularyzował współzałożyciel Ethereum Vitalik Buterin. Aby to miało sens, trzeba mieć świadomość trzech różnych elementów, które są pożądane w blockchainie: decentralizacji, bezpieczeństwa i skalowalności. Trilemat blockchain odnosi się do poglądu, że łańcuchom bloków trudno jest osiągnąć optymalny poziom wszystkich trzech właściwości jednocześnie. Zwiększanie jednego zwykle prowadzi do osłabienia drugiego.
W tym artykule przeanalizujemy wszystkie trzy elementy trylematu i wyjaśnimy bardziej szczegółowo, czym jest każdy z nich. Bardziej szczegółowe omówienie każdego z nich oraz tego, jak do siebie pasują, zaowocuje lepszym zrozumieniem, w jaki sposób i dlaczego istnieje trylemat blockchain. W tym artykule omówiono także niektóre rozwiązania zaproponowane przez programistów.
Co to jest decentralizacja?Bitcoin i podobne sieci blockchain są z założenia zdecentralizowane. Cała struktura jest taka, że ​​nie ma jednej osoby ani organizacji odpowiedzialnej. Raczej jest zdecentralizowany. Warstwa sieciowa jest otwarta dla każdego, kto chce w niej uczestniczyć. W rezultacie kontrola jest w pełni rozproszona, a nie sprawowana przez jeden podmiot. Każdy ma dostęp do tych samych danych. Jeżeli ktoś spróbuje oszukać system zmieniając zapisy na swoją korzyść, wówczas pozostali uczestnicy odrzucą błędne dane.
Może to być dość techniczne, ale jako przykład weźmy sieć Bitcoin. Żadna osoba trzecia nie sprawuje kontroli. Porównaj to z potrzebą banków w systemie finansowym. Banki egzekwują zaufanie między osobami dokonującymi transakcji i dbają o prawidłowe prowadzenie wszystkich rejestrów. Blockchain Bitcoina udostępnia jednak wszystkie te dane wszystkim w sieci, dzięki czemu można je sprawdzić i potwierdzić przed dodaniem do cyfrowej bazy danych. Rezultatem jest system, który może istnieć bez potrzeby korzystania z pomocy osób trzecich.
Decentralizacja oferuje możliwość tak zwanego Web3. W tej chwili mamy Web2 — dzisiejszy internet. Jest pełen witryn 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 online.
Należy jednak zauważyć, że ze względu na sposób działania tych rozproszonych systemów – z koniecznością uzgodnienia przez szerokie grono uczestników co do ważności wszelkich danych – czas transakcji może być długi ze względu na sposób, w jaki informacje muszą być udostępniane i obrobiony. Dlatego łańcuchy bloków muszą być skalowalne, to znaczy być w stanie obsłużyć więcej danych z większą szybkością. Wrócimy do tego punktu, omawiając skalowalność.
Ponadto zdecentralizowany sen jest spełniony tylko wtedy, gdy leżące u jego podstaw łańcuchy bloków są bezpieczne. Jeśli blockchain nie jest bezpieczny, zły aktor może przejąć kontrolę i zmienić dane na swoją korzyść. Prowadzi to do drugiej części trylematu: bezpieczeństwa.
Czym jest bezpieczeństwo blockchain?Nie ma znaczenia, jak zdecentralizowany jest łańcuch bloków, 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 Bitcoin wykorzystuje kombinację kryptografii i mechanizmu konsensusu sieciowego zwanego Proof of Work (PoW). Jeśli chodzi o kryptografię, każdy blok ma rodzaj podpisu cyfrowego (lub skrótu). Każdy blok danych jest połączony w sposób niemożliwy do manipulacji, ponieważ wszelkie zmiany spowodowałyby zmianę skrótu bloku. Każda próba zmiany danych zostanie szybko zidentyfikowana przez resztę sieci.
Mechanizm konsensusu PoW to kolejna część układanki. Pomaga zabezpieczyć księgę kryptowaluty. Zrozumienie Proof of Work to osobny artykuł, ale dla naszych celów zauważmy, że członkowie sieci mogą jedynie weryfikować nowe transakcje i dodawać je do księgi głównej poprzez czynność zwaną eksploracją. Wiąże się to z wykorzystaniem mocy obliczeniowej do rozwiązania zagadki matematycznej. Część tego procesu wymaga od tych komputerów wykonywania licznych funkcji mieszania. Ma to wpływ na kwestię skalowalności, ponieważ mechanizm PoW jest bezpieczny, ale stosunkowo powolny.
Należy również pamiętać, że im więcej uczestników (węzłów) znajduje się w sieci, tym jest ona bezpieczniejsza. Im większa liczba stron, tym trudniej jest przejąć kontrolę nad systemem jednemu złemu aktorowi. Odnosi się to do tak zwanego ataku 51%. Podsumowując: jeśli pojedynczy podmiot (lub grupa złych aktorów) może kontrolować ponad 50% całkowitego współczynnika mieszania sieci łańcucha bloków, wówczas będzie w stanie obejść konsensus i zmienić dane łańcucha z korzyścią dla siebie, na przykład podwójnie wydatkami żetony.
Krótko mówiąc, bezpieczeństwo jest podstawowym wymogiem powodzenia łańcucha bloków, ponieważ bez niego napastnicy mogą przejąć kontrolę nad łańcuchem, czyniąc go bezużytecznym.
Czym jest skalowalność?Skalowalność odnosi się do celu, jakim jest zbudowanie łańcucha bloków, który może obsługiwać coraz więcej transakcji na sekundę. Jeśli technologia blockchain ma służyć szerszemu społeczeństwu i prawdopodobnie miliardom użytkowników, wymagana jest skala. Jednak w tym przypadku wiele łańcuchów bloków wciąż ma problemy.
Dzieje się tak dlatego, że decentralizacja i bezpieczeństwo są tak fundamentalne dla blockchain, że skupiają się na nich w pierwszej kolejności. Decentralizacja jest tak kluczowa dla etosu i celów blockchain, że leży w samym sercu najbardziej rozpoznawalnych blockchainów. Bezpieczeństwo, jak już wspomnieliśmy, jest podstawowym wymogiem, aby łańcuch bloków był skuteczny i użyteczny.
Jednak w przypadku priorytetowego traktowania decentralizacji i bezpieczeństwa skalowalność staje się wyzwaniem. Liczba transakcji, które sieć może obsłużyć, może być poważnie ograniczona. Scentralizowany system płatności, taki jak Visa, twierdzi, że jest w stanie obsłużyć 24 000 transakcji na sekundę. Dzieje się tak dlatego, że sieć jest zamknięta i wolna od czynników takich jak węzły publiczne i konsensus. Porównaj to z niektórymi z najbardziej znanych łańcuchów bloków.
Według Bloomberga w 2022 r.: „Od września Bitcoin nie był w stanie obsłużyć więcej niż siedmiu transakcji na sekundę, a Ethereum, druga pod względem popularności sieć, była ograniczona do około 15 na sekundę – czyli przez cały okres życia w porównaniu z konwencjonalnymi giełdami”.
Jak wspomniano, prędkości transakcji typu blockchain są ograniczone ze względu na sposób, w jaki informacje muszą być przetwarzane przez różnych uczestników tworzących zdecentralizowaną sieć, oraz charakter samego mechanizmu konsensusu PoW. Jeśli coraz więcej osób w społeczeństwie zacznie korzystać z technologii blockchain, sieci zaczną się zacinać ze względu na ograniczoną liczbę transakcji, które mogą obsłużyć.
Dlaczego istnieje trylemat blockchainNajbardziej oczywistym i podstawowym rozwiązaniem zarysowanego powyżej problemu jest zmniejszenie liczby uczestników potwierdzających i dodających do sieci dane w zamian za większą skalę i szybkość. Prowadziłoby to jednak do osłabienia decentralizacji i przekazania kontroli mniejszej liczbie uczestników. Prowadziłoby to również do osłabienia bezpieczeństwa, ponieważ mniejsza liczba graczy oznacza większe ryzyko ataków.
Oto więc trylemat: biorąc pod uwagę związek między pożądanymi właściwościami decentralizacji i bezpieczeństwa, podstawowy projekt działania blockchainu utrudnia jego skalowanie. Zwiększ jeden, a osłabisz drugi. Jak zwiększyć skalowalność bez szkody dla decentralizacji i bezpieczeństwa lub obu tych elementów?
Rozwiązanie trylematu blockchainNie ma jednego złotego rozwiązania tego trylematu. Biorąc jednak pod uwagę wagę rozwiązania tego problemu, w społeczności zastosowano wiele różnych podejść, które przyniosły interesujące rezultaty. Przyjrzyjmy się przeglądowi najpopularniejszych rozwiązań, aby pomóc Ci zrozumieć, co dzieje się w przestrzeni kosmicznej:
1. FragmentowanieJest to metoda dzielenia łańcuchów bloków (lub innych typów baz danych) na mniejsze, podzielone łańcuchy bloków, które zarządzają określonymi segmentami danych. Taka konfiguracja odciąża pojedynczy łańcuch zajmujący się wszystkimi transakcjami i interakcjami w sieci. Każdy podzielony łańcuch bloków nazywany jest odłamkiem i ma swoją specyficzną księgę. Te fragmenty mogą następnie przetwarzać własne transakcje, ale łańcuch bloków sygnalizacyjnych lub łańcuch główny zarządza interakcjami między fragmentami. To sprawia, że ​​sharding jest ulepszeniem skalowalności sieci warstwy 1, ponieważ jest to zmiana w głównej sieci łańcucha bloków.
2. Inny mechanizm konsensusuJednym z powodów istnienia trylematu w sieci Bitcoin jest sposób, w jaki PoW działa w celu zapewnienia bezpieczeństwa. Zapotrzebowanie na górników, algorytmy kryptograficzne i ogromne ilości zdecentralizowanej mocy obliczeniowej prowadzi do powstania bezpiecznego systemu, ale powolnego. Znalezienie innego sposobu na zapewnienie konsensusu jest jednym ze sposobów rozwiązania trylematu. To był jeden z powodów przejścia Ethereum z PoW na Proof of Stake (PoS).
W blockchainach PoS uczestnicy zaangażowani w walidację transakcji muszą postawić (zablokować) swoje tokeny. Nie ma potrzeby stosowania wysokospecjalistycznych 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 2Zarówno sharding, jak i różne mechanizmy konsensusu są tak zwanymi rozwiązaniami warstwy 1. Chcą zmienić podstawowy projekt podstawowej sieci. Jednak inni programiści chcący rozwiązać ten trylemat pracowali nad rozwiązaniami, które opierają się na istniejącej strukturze sieci. Innymi słowy, uważają, że odpowiedź leży w drugiej warstwie, czyli warstwie 2. Przykładami tego są łańcuchy boczne i kanały stanu.
Sidechain to w zasadzie oddzielny łańcuch bloków połączony z łańcuchem głównym. Jest skonfigurowany w taki sposób, aby aktywa mogły swobodnie przepływać między nimi. Co ważne, sidechain może działać na innych zasadach, co pozwala na większą prędkość i skalę. Podobnie kanały stanowe to kolejny sposób na odłączenie transakcji od głównego łańcucha i złagodzenie presji na warstwę 1. Kanał stanowy wykorzystuje inteligentny kontrakt zamiast oddzielnego łańcucha, aby umożliwić użytkownikom interakcję między sobą bez publikowania swoich transakcji w łańcuchu bloków . Blockchain rejestruje tylko początek i koniec kanału.
Zamykanie myśliTrylemat skalowalności stoi na przeszkodzie, aby blockchain wykorzystał swój potencjał jako technologii zmieniającej świat. Jeśli sieci blockchain będą w stanie obsłużyć jedynie niewielką liczbę transakcji na sekundę w celu utrzymania decentralizacji i bezpieczeństwa, trudno będzie osiągnąć masowe przyjęcie. Jednak rozwiązania proponowane obecnie przez programistów starających się rozwiązać ten problem sugerują, że postęp technologiczny dokonany już przez blockchain będzie kontynuowany, a sieci te mogą w przyszłości być w stanie obsłużyć znacznie więcej danych.

Czym jest trylemat Blockchain?

Wstęp

Co to jest decentralizacja?

Czym jest bezpieczeństwo blockchain?

Czym jest skalowalność?

Dlaczego istnieje trylemat blockchain

Rozwiązanie trylematu blockchain

1. Fragmentowanie

2. Inny mechanizm konsensusu

3. Rozwiązania warstwy 2

Zamykanie myśli

Odkryj więcej od twórcy

Najnowsze wiadomości