Що таке трилема блокчейну?

TL; DR
Блокчейни можуть обробляти лише обмежену кількість транзакцій за секунду. Мережа Bitcoin, наприклад, може обробляти близько семи транзакцій за секунду. Якщо технологія блокчейн буде прийнята в усьому світі, вона повинна мати можливість обробляти набагато більше даних і на вищих швидкостях, щоб більше людей могли використовувати мережу, не стаючи надто повільною або дорогою у використанні. Однак фундаментальний дизайн багатьох децентралізованих мереж означає, що підвищення масштабованості має тенденцію послаблювати децентралізацію або безпеку. Це те, що відомо як трилема блокчейну. Розробники, які прагнуть вирішити цю проблему, експериментують із різними механізмами консенсусу та рішеннями масштабованості, такими як шардинг, бічні ланцюги та канали стану.
вступВ основному блокчейн — це розподілена цифрова база даних. Блоки даних організовані в хронологічному порядку. Блоки пов’язані та захищені криптографічними доказами. Впровадження цієї технології в різні галузі вже змінює те, як ми працюємо та живемо.
Ідея полягає в тому, що децентралізовані та безпечні блокчейни створюють світ, у якому нам не потрібно покладатися на треті сторони для функціонування мереж або ринків. Однак експерти загалом сходяться на думці, що для більшого поширення цієї технології існує основна проблема, яку потрібно вирішити. Проблема, про яку йде мова, відома як «трилема блокчейну».
Цей термін популяризував співзасновник Ethereum Віталік Бутерін. Щоб це мало сенс, вам потрібно знати про три різні елементи, які бажані в блокчейні: децентралізація, безпека та масштабованість. Трилема блокчейну стосується ідеї про те, що блокчейнам важко досягти оптимальних рівнів усіх трьох властивостей одночасно. Збільшення одного зазвичай призводить до ослаблення іншого.
У цій статті буде розглянуто всі три елементи трилеми та пояснено, що таке кожен з них більш детально. Більш глибоке обговорення кожного з них і того, як вони поєднуються, дозволить краще зрозуміти, як і чому існує трилема блокчейну. У цій статті також буде висвітлено деякі рішення, які були запропоновані розробниками.
Що таке децентралізація?Біткойн і подібні блокчейн-мережі є децентралізованими. Вся структура така, що немає жодної відповідальної людини чи організації. Навпаки, він децентралізований. Мережевий рівень відкритий для всіх, хто хоче взяти участь. У результаті контроль повністю розподіляється, а не утримується однією особою. Кожен має доступ до однакових даних. Якщо хтось спробує обдурити систему, змінивши записи на свою користь, решта учасників відкинуть помилкові дані.
Це може бути досить технічним, але давайте візьмемо мережу Bitcoin як приклад. Треті сторони не контролюють. Порівняйте це з потребою банків у фінансовій системі. Банки зміцнюють довіру між людьми, які здійснюють транзакції, і забезпечують правильне зберігання всіх записів. Однак блокчейн біткойнів ділиться всіма цими даними з усіма в мережі, щоб їх можна було перевірити та підтвердити перед додаванням до цифрової бази даних. Результатом є система, яка може існувати без потреби сторонніх осіб.
Децентралізація пропонує можливість так званого Web3. Прямо зараз у нас є Web2 — сучасний Інтернет. Тут повно сайтів і додатків, контрольованих компаніями, але з вмістом, створеним користувачами. Web3 — наступний крок. Інтернет, де децентралізована технологія блокчейн дозволяє людям контролювати власні дані та життя в Інтернеті.
Одна річ, яку слід зазначити, полягає в тому, що через те, як працюють ці розподілені системи — коли широке коло учасників має узгодити достовірність будь-яких даних — час транзакцій може бути повільним через спосіб обміну інформацією та оброблені. Тому блокчейни потребують масштабування, тобто здатності обробляти більше даних на вищих швидкостях. Ми повернемося до цього моменту при обговоренні масштабованості.
Крім того, децентралізована мрія виконується, лише якщо базові блокчейни безпечні. Якщо блокчейну бракує безпеки, то зловмисник може взяти під контроль і змінити дані на свою користь. Це призводить до другої частини трилеми: безпеки.
Що таке безпека блокчейну?Немає значення, наскільки децентралізованим є блокчейн, якщо йому бракує безпеки. Хороша блокчейн-мережа має бути стійкою до атак зловмисників. Централізовані системи отримують свою безпеку від того, що система закрита. Той, хто контролює, може гарантувати, що дані не втручаються. Але як цього досягти в децентралізованій системі, де кожен може взяти участь?
Це складна тема, але ми можемо повернутися до біткойна як прикладу децентралізованої безпеки блокчейну. Блокчейн біткойн використовує поєднання криптографії та механізму консенсусу мережі під назвою Proof of Work (PoW). З точки зору криптографії, кожен блок має свого роду цифровий підпис (або хеш). Кожен блок даних пов’язано таким чином, що його неможливо змінити, оскільки будь-які зміни можуть змінити хеш блоку. Будь-яка спроба змінити дані буде швидко ідентифікована рештою мережі.
Механізм консенсусу PoW є ще однією частиною головоломки. Це допомагає захистити облікову книгу криптовалюти. Розуміння доказів роботи — це ціла стаття сама по собі, але для наших цілей зауважте, що учасники мережі можуть лише перевіряти нові транзакції та додавати їх до книги за допомогою діяльності, відомої як майнінг. Це передбачає використання обчислювальної потужності для вирішення математичної головоломки. Частина процесу вимагає від цих комп’ютерів виконання численних функцій хешування. Це впливає на проблему масштабованості, оскільки механізм PoW безпечний, але відносно повільний.
Також зауважте, що чим більше учасників (вузлів) у мережі, тим вона безпечніша. Чим більше партій, тим важче одному поганому актору взяти під контроль систему. Це стосується так званої атаки 51%. Як загальний огляд: якщо один об’єкт (або група зловмисників) може контролювати понад 50% загальної швидкості хешування мережі блокчейну, тоді він зможе перевизначити консенсус і змінити дані ланцюга на вигоду собі, наприклад, подвійні витрати жетони.
Коротше кажучи, безпека є фундаментальною вимогою для успіху блокчейну, оскільки без неї зловмисники можуть взяти під контроль ланцюг, зробивши його марним.
Що таке масштабованість?Масштабованість означає створення блокчейну, який може підтримувати все більше і більше транзакцій за секунду. Масштаб необхідний, якщо технологія блокчейн має служити ширшому суспільству та, можливо, мільярдам користувачів. Але саме тут багато блокчейнів все ще відчувають труднощі.
Це пояснюється тим, що децентралізація та безпека є настільки фундаментальними для блокчейну, що на них, як правило, зосереджуються в першу чергу. Децентралізація є настільки центральною для етосу та цілей блокчейну, що вона лежить в самому серці більшості визнаних блокчейнів. Безпека, як ми вже обговорювали, є основною вимогою для того, щоб блокчейн був успішним і корисним.
Однак, віддаючи пріоритет децентралізації та безпеці, масштабованість стає проблемою. Кількість транзакцій, які може обробляти мережа, може бути сильно обмежена. Централізована платіжна система, така як Visa, стверджує, що вона здатна підтримувати 24 000 транзакцій на секунду. Це пояснюється тим, що мережа є закритою та вільною від таких міркувань, як публічні вузли та консенсус. Порівняйте це з деякими з найвідоміших блокчейнів.
За даними Bloomberg у 2022 році: «Станом на вересень біткойн не міг обробляти більше семи транзакцій на секунду, а Ethereum, друга за популярністю мережа, був обмежений приблизно 15 транзакціями на секунду — протягом усього життя порівняно зі звичайними біржами».
Як уже згадувалося, швидкість цих транзакцій у блокчейні обмежена через те, як інформація повинна оброблятися різними учасниками, які складають децентралізовану мережу, а також через характер самого механізму консенсусу PoW. Якщо все більше і більше людей у ​​суспільстві почнуть використовувати технологію блокчейн, мережі будуть забиті через обмежену кількість транзакцій, які вони можуть обробляти.
Чому існує трилема блокчейнуНайбільш очевидним і основним рішенням описаної вище проблеми є зменшення кількості учасників, які підтверджують і додають до мережі дані в обмін на більший масштаб і швидкість. Але це призведе до послаблення децентралізації, а контроль буде передано меншій кількості учасників. І це також призведе до послаблення безпеки, оскільки менша кількість гравців означає більший шанс атак.
Отже, тут криється трилема: враховуючи зв’язок між бажаними властивостями децентралізації та безпеки, фундаментальний дизайн того, як працює блокчейн, ускладнює його масштабування. Збільшуєш одне, а послаблюєш інше. Як підвищити масштабованість без шкоди для децентралізації, безпеки чи обох?
Вирішення трилеми блокчейнуНемає єдиного золотого рішення трилеми. Але враховуючи важливість вирішення цієї проблеми, у спільноті було використано кілька різних підходів із цікавими результатами. Давайте пробіжимо огляд деяких найпопулярніших розробок, щоб ви могли зрозуміти, що відбувається в просторі:
1. ШардингЦе метод поділу блокчейнів (або інших типів баз даних) на менші розділені блокчейни, які керують певними сегментами даних. Таке налаштування знімає навантаження з єдиного ланцюга, який має справу з усіма транзакціями та взаємодіями в мережі. Кожен розділений блокчейн відомий як шард і має свою окрему книгу. Потім ці шарди можуть обробляти власні транзакції, але блокчейн-маяк або головний ланцюг керують взаємодією між шардами. Це робить шардинг оновленням масштабованості мережі рівня 1, оскільки це зміна основної мережі блокчейну.
2. Різний механізм консенсусуОдна з причин існування трилеми в мережі біткойн полягає в тому, як PoW працює для забезпечення безпеки. Потреба в майнерах, криптоалгоритмах і величезних обсягах децентралізованої обчислювальної потужності призводить до безпечної системи, але повільної. Пошук іншого способу досягнення консенсусу є одним із підходів до вирішення трилеми. Це було однією з причин переходу Ethereum від PoW до Proof of Stake (PoS).
У блокчейнах PoS учасники, залучені до перевірки транзакцій, повинні поставити (блокувати) свої токени. Немає потреби у вузькоспеціалізованих видобувних машинах. Додати більше валідаторів до мережі простіше та доступніше. PoS — це лише один із багатьох різних підходів до механізмів консенсусу з урахуванням масштабованості.
3. Рішення шару-2І шардинг, і різні механізми консенсусу — це те, що відомо як рішення рівня 1. Вони прагнуть змінити фундаментальний дизайн основної мережі. Але інші розробники, які прагнуть вирішити цю трилему, працювали над рішеннями, які будуються на основі існуючої мережевої структури. Іншими словами, вони вважають, що відповідь лежить на другому рівні, або рівні 2. Прикладами цього є бічні ланцюги та канали стану.
Сайдчейн — це, по суті, окремий блокчейн, з’єднаний з основним ланцюгом. Це налаштовано таким чином, щоб активи могли вільно перетікати між ними. Важливо, що сайдчейн може працювати за іншими правилами, що забезпечує більшу швидкість і масштаб. Подібним чином державні канали є ще одним способом вивести транзакції з основного ланцюга та послабити тиск на Рівень 1. Державний канал використовує смарт-контракт, а не окремий ланцюг, щоб дозволити користувачам взаємодіяти один з одним, не публікуючи свої транзакції в блокчейні. . Блокчейн записує лише початок і кінець каналу.
Закриття думокТрилема масштабованості заважає блокчейну реалізувати свій потенціал як технології, що змінює світ. Якщо блокчейн-мережі можуть обробляти лише невелику кількість транзакцій за секунду для підтримки децентралізації та безпеки, тоді буде важко досягти масового впровадження. Однак рішення, запропоновані розробниками, які намагаються вирішити цю проблему, свідчать про те, що технологічний прогрес, досягнутий блокчейном, продовжуватиметься, і ці мережі цілком зможуть обробляти набагато більше даних у майбутньому.