Всегда ли можно получить все, что мы хотим? Когда дело касается блокчейна, вопрос о балансе между децентрализацией, масштабируемостью и безопасностью стоит на первом плане. Этот вопрос, известный как трилемма блокчейна, вызывает ожесточенные дискуссии и поиски решений. В данной статье мы исследуем, как можно преодолеть эту трилемму и достичь гармонии в мире блокчейна.
Что такое трилемма блокчейна
Трилемма блокчейна — это сформулированное Виталиком Бутериным, одним из сооснователей Ethereum, предположение о том, что блокчейн-сети не способны одновременно достичь максимума по трем ключевым свойствам: децентрализация, безопасность и масштабируемость. Трилемма утверждает, что блокчейн может иметь только два из этих свойств, но не все три одновременно. Например, если блокчейн очень децентрализован и безопасен, он может быть не очень масштабируемым, так как его скорость и пропускная способность будут существенно ограничены. Если же блокчейн очень масштабируем и децентрализован, он не может быть максимально безопасным, так как его уязвимость к хакерским и Ддос-атакам будет выше.
Примеры практической реализации трилеммы блокчейна можно найти в разных криптовалютных проектах. Вот некоторые из них:
- Биткоин — это блокчейн, который жертвует производительностью ради безопасности и децентрализации. Биткоин использует алгоритм консенсуса Proof-of-Work (PoW), который требует большого количества вычислительной мощности и энергии для подтверждения транзакций. Из-за чего Биткоин имеет ограниченную пропускную способность ( 7 транзакций в секунду, или TPS) и высокие комиссии, что затрудняет его использование в повседневной жизни.
- EOS — это скоростной блокчейн, который жертвует децентрализацией ради безопасности и производительности. EOS использует алгоритм консенсуса Delegated Proof-of-Stake (DPoS), который позволяет выбирать 21 узел-делегат для подтверждения транзакций. EOS имеет высокую пропускную способность (около 4000 TPS) и низкие комиссии, что делает его привлекательным для разработки приложений. Однако EOS страдает от централизации власти и, следовательно, риска вмешательства со стороны делегатов.
- Polygon — это блокчейн, который жертвует частью безопасности ради децентрализации и производительности. Полигон представляет собой сеть из разных блокчейнов, которые работают поверх основного блокчейна Эфириума. Полигон использует разные решения второго уровня (Layer 2), такие как Plasma, Optimistic Rollups и ZK-Rollups, для ускорения транзакций и снижения комиссий. Polygon сохраняет высокий уровень децентрализации, но зависит от безопасности Эфириума и может столкнуться с проблемами синхронизации и координации между разными блокчейнами.
В чем суть трилеммы блокчейна
Суть трилеммы блокчейна заключается в том, что при разработке блокчейн-системы (или криптовалюты) существует сложный баланс между тремя важными аспектами и улучшение одного из них обычно приводит к ухудшению других.
Децентрализация
Децентрализованные сети подчеркивают способность блокчейна полагаться на достаточно большое количество заинтересованных сторон. Децентрализация наблюдается на разных уровнях: количество майнеров, количество полных узлов, географическое распределение, количество активных разработчиков и так далее. Важно отметить, что не все блокчейны децентрализованы в одинаковой степени.
Преимущества децентрализованных сетей:
- Децентрализация позволяет поддерживать консенсус, не обязывая пользователей доверять друг другу или центральному узлу.
- Децентрализация желательна, поскольку она повышает надежность системы. Децентрализация также делает сеть устойчивой к цензуре.
Недостатки и трудности децентрализованных сетей:
- Децентрализация приводит к задержкам и замедляет работу сети.
- Это дорого, поскольку децентрализация приводит к избыточности, и следовательно, нежелательна для всех приложений.
Масштабируемость
Масштабируемость означает способность системы блокчейна поддерживать рост размера (больше пользователей, больше вариантов использования и в конечном итоге больше транзакций), справляться с массовым внедрением без ущерба для производительности. По сути, это сводится к сокращению времени расчета транзакции для увеличения TPS или пропускной способности цепочки.
Как можно повысить масштабируемость блокчейна? Есть два способа (или комбинация этих двух способов):
- Сократить количество организаций, проверяющих транзакции (компромисс в отношении децентрализации).
- Уменьшить время блокировки, что требует снижения сложности сети (компромисс в безопасности).
Преимущества сети, ориентированной на масштабируемость:
- Позволяет сети поддерживать большой объем транзакций.
- Может быть полезно в приложениях, где безопасность не является основным приоритетом, например в приложениях для обмена социальными сообщениями.
Недостатки сети, ориентированной на масштабируемость:
- Как мы упоминали выше, масштабируемость может достигаться за счет безопасности.
- По мере масштабирования сети механизм консенсуса также должен будет масштабироваться, что может произойти за счет централизации.
Безопасность
Безопасность — это способность экосистемы обеспечивать безотзывность данных, транзакций и архитектуры в целом. Блокчейн делает это, заставляя участников экосистемы расходовать ресурсы (вычисления, место на жестком диске, токены и другое) для получения вознаграждений. Причем считается, что чем больше ресурсов тратят участники сети, тем безопаснее блокчейн.
В ходе недавней атаки на Ethereum Classic (ETC) злоумышленник реорганизовал более 4000 блоков, и ему удалось произвести двойные траты на ETC на сумму около 2 млн долл. Злоумышленнику удалось добиться успеха потому, что стоимость приобретения (захвата, покупки, аренды) более 51% хеш-мощности всей сети была незначительной по сравнению со стоимостью украденных денег.
Преимущества блокчейна, ориентированного на безопасность:
- Обеспечивает переводы крупных сумм, которые выполняются быстрее и дешевле, чем традиционные переводы ценностей.
- Безопасность публичных блокчейнов обеспечивается участниками сети. Более высокая безопасность подразумевает более высокие сетевые эффекты, которые нелегко воспроизвести.
Недостаток сетей, ориентированных на безопасность:
- Требует больше ресурсов, т.е. больше инвестиций.
Преодоление трилеммы: инновационные подходы
Хотя единого решения этой трилеммы не существует, в блокчейн-сообществе существует ряд различных подходов, которые пытаются ее решить. Вот некоторые из наиболее популярных решений.
Различные механизмы консенсуса
Одна из причин, по которой трилемма блокчейна так важна для сети Биткойна, заключается в том, как PoW обеспечивает безопасность. Потребность в майнинге через огромное количество децентрализованных вычислений позволяет создать очень безопасную, но довольно медленную платежную систему. Поиск другого способа достижения консенсуса — один из наиболее часто рассматриваемых подходов к решению трилеммы блокчейна.
По этому пути пошли Ethereum, решив сменить PoW на Proof-of-Stake (PoS). В PoS-сетях пользователи, участвующие в валидации транзакций, должны застейкать (заморозить) свои токены, чтобы принять участие в розыгрыше права на создание нового блока и получения награды. Это означает, что нет необходимости в мощных компьютерах или Асиках для майнинга, добавление большего количества валидаторов в сеть становится проще и доступнее.
Существуют и другие алгоритмы консенсуса, которые пытаются решить трилемму блокчейна с разных сторон. Например:
- Byzantine Fault Tolerance (BFT) — позволяет достичь консенсуса даже при наличии неисправных или злонамеренных узлов в сети. BFT использует голосование или выбор лидера для определения правильного состояния сети. BFT обеспечивает высокую безопасность и скорость блокчейна, но требует высокой степени доверия и координации между узлами.
- Delegated Proof-of-Stake (DPoS) — позволяет узлам делегировать свой стейк другим узлам, которые называются делегатами или валидаторами. DPoS использует демократический механизм выборов для определения небольшого числа делегатов, которые отвечают за подтверждение транзакций и создание блоков. DPoS обеспечивает высокую масштабируемость и производительность блокчейна, но снижает децентрализацию и увеличивает риск вмешательства или коррупции со стороны делегатов.
- Directed Acyclic Graphs (DAG) — позволяет отказаться от линейной структуры блокчейна и использовать более гибкую и распределенную структуру данных, которая представляет собой направленный ациклический граф. DAG использует разные способы для подтверждения транзакций, такие как взаимное подтверждение другими транзакциями или выбор конфликтующих транзакций на основе веса. DAG обеспечивает высокую масштабируемость и децентрализацию блокчейна, но имеет проблемы с безопасностью и согласованностью данных.
Шардинг блокчейна
Шардинг — еще один метод, который может помочь в решении трилеммы блокчейна путем улучшения масштабируемости блокчейн-сетей, при этом сохраняя некоторый достаточный уровень надежности, защищенности и открытости экосистемы.
Как шардинг влияет на каждый из аспектов трилеммы:
- Масштабируемость. Шардинг разбивает блокчейн на множество меньших фрагментов, называемых шардами. Каждый шард отвечает за определенный сегмент данных и транзакций и имеет свой собственный алгоритм консенсуса. Таким образом, шардинг позволяет увеличить пропускную способность и скорость блокчейна, распределяя нагрузку между разными шардами, действующими параллельно.
- Децентрализация. В зависимости от конфигурации и реализации шардинга можно сохранить некоторую степень децентрализации, так как каждый узел может участвовать в одном или нескольких шардах в зависимости от своих ресурсов и предпочтений.
- Безопасность. Гипотетически шардинг также может улучшить безопасность блокчейна, так как в случае атаки или ошибки уязвимость ограничивается конкретным шардом и не влияет на всю сеть.
Однако стоит отметить, что внедрение шардинга также вводит новые сложности, такие как управление шардами и обеспечение согласованности между ними. Для решения всех этих сложностей необходимо разработать надежные и эффективные механизмы согласования и обмена данными между шардами. Также важно, чтобы шардинг не ухудшал децентрализацию до такой степени, когда сеть блокчейна становится уязвимой для хакерских атак, ддоса и тому подобного.
Решения второго уровня
Решения второго уровня (Layer 2) — это технологии, которые работают поверх основного блокчейна (первого уровня, или Layer 2) и позволяют перенести часть транзакций и данных вне основной цепочки. Таким образом, решения второго уровня снижают нагрузку на основной блокчейн, увеличивают скорость и объем транзакций, сокращают комиссии и сохраняют безопасность и децентрализацию блокчейна.
Решения второго уровня используют разные механизмы для подтверждения транзакций. Вот некоторые примеры решений второго уровня и их особенности:
- Plasma — позволяет создавать дочерние блокчейны (плазма-цепочки), которые работают параллельно основному блокчейну (например, Эфириуму) и могут обрабатывать большое количество транзакций с низкими затратами. Плазма-цепочки периодически отправляют свои данные на основной блокчейн для финального подтверждения и безопасности. Пользователи могут свободно перемещаться между плазма-цепочками и основным блокчейном.
- Optimistic Rollups — позволяет агрегировать множество транзакций в один «свернутый» (rolled up) блок, который затем отправляется на основной блокчейн для финального подтверждения. Optimistic Rollups используют оптимистический подход к верификации транзакций, то есть они предполагают, что все транзакции валидны, пока не доказано обратное. Если кто-то обнаружит невалидную транзакцию, он может оспорить ее и получить вознаграждение.
- ZK-Rollups — также позволяет агрегировать множество транзакций в один «свернутый» блок, который затем отправляется на основной блокчейн для финального подтверждения. ZK-Rollups используют протокол доказательства «нулевого знания» (zero-knowledge) для верификации транзакций, то есть они могут доказать, что все транзакции валидны, не раскрывая их содержание. Это повышает приватность и безопасность транзакций.
- Lightning Network — это решение, которое призвано решить проблему медленной скорости транзакций на блокчейне Биткоина, вводя транзакции вне сети. Это означает, что пользователи могут быстро отправлять и получать биткоины с практически нулевыми комиссиями, не загружая основной блокчейн. Таким образом, Lightning Network снижает нагрузку на основной блокчейн, увеличивает скорость и объем транзакций, сокращает комиссии и сохраняет безопасность и децентрализацию блокчейна.
Трилемма и будущее блокчейна
Скорее всего, в ближайшем будущем решение трилеммы будет продолжать оставаться одним из основных вызовов, но с ростом опыта и разработок в этой области блокчейн-системы станут более гибкими и универсальными, что может привести к их более широкому принятию в различных отраслях и областях.
Вот что даст решение трилеммы блокчейна:
- Снижение затрат. Благодаря более эффективному использованию ресурсов и повышенной автоматизации процессов вследствие смарт-контрактов, блокчейн может снизить затраты на транзакции и обслуживание.
- Большая масштабируемость. Увеличение пропускной способности блокчейн-сетей позволит им обрабатывать значительно больше транзакций и данных в секунду. Это сделает блокчейн более пригодным для массового применения и привлечет больше пользователей и предприятий.
- Высокая децентрализация. Сохранение высокой степени децентрализации позволит участникам блокчейн-сетей сохранять контроль и безопасность своих данных и активов без необходимости доверия централизованным организациям.
- Глобальная инфраструктура. Устойчивые блокчейн-сети могут стать основой для глобальных финансовых и коммерческих систем, упрощая глобальные транзакции и сотрудничество между странами и организациями.
- Улучшенная безопасность. Решение трилеммы приведет к совершенствованию методов обеспечения безопасности блокчейна, что сделает технологию более устойчивой к атакам и угрозам.
- Большая инновация. Решение трилеммы блокчейна позволит разработчикам и предприятиям более свободно экспериментировать с новыми приложениями и использованиями блокчейна. Это приведет к новым инновационным продуктам и сервисам.
- Рост принятия. Улучшенная производительность, децентрализация и безопасность сделают блокчейн более привлекательным для бизнеса и обычных пользователей. Это может привести к увеличению принятия технологии и расширению ее использования в различных отраслях.
Краткие выводы
Решение трилеммы блокчейна, которая включает в себя баланс между масштабируемостью, децентрализацией и безопасностью, является неотъемлемым фактором для будущего успеха криптовалют и блокчейна. Поиск инновационных подходов, разработка эффективных алгоритмов и постоянное усовершенствование структуры сетей открывают путь к созданию более устойчивой и востребованной криптовалютной и блокчейн-экосистемы, готовой изменить игру в мировой экономике и финансах.