Изначально блокчейны создавались с целью получить пространство, на котором рынок будет функционировать без регулятора — центрального органа, решающего судьбу сети. Биткоин, Ethereum и другие криптовалюты сделали финансы свободнее, но с определенными ограничениями.
Чтобы реальная система стала похожа на идеальную модель, разработчики должны решить трилемму блокчейна.
Трилемма блокчейна (Blockchain Trilemma) — это концепция, которая утверждает, что невозможно создать блокчейн, который бы одновременно обладал тремя ключевыми свойствами: децентрализацией, масштабируемостью и безопасностью.
Децентрализация — это способность блокчейна функционировать без центрального управления или контроля, где каждый участник имеет равные права и возможности для участия в сети. Это свойство обеспечивает прозрачность и надежность системы.
Масштабируемость — это способность блокчейна обрабатывать большое количество транзакций за короткий промежуток времени. Это свойство важно для обеспечения эффективной работы блокчейна при увеличении числа пользователей и объема транзакций.
Безопасность — это способность блокчейна защищать данные и активы участников от взлома, мошенничества и других видов кибератак. Это свойство является необходимым для создания доверия в системе и защиты от потери средств и информации.
Трилемма утверждает, что блокчейн может обладать только двумя из трех свойств, но не всеми тремя одновременно:
- если блокчейн достигает высокой степени масштабируемости и безопасности, он может потерять свою децентрализацию, так как система может потребовать централизованного управления для поддержки большого объема транзакций;
- если блокчейн достигает высокой степени децентрализации и безопасности, он может потерять масштабируемость, так как его система может не справляться с большим объемом транзакций;
- если блокчейн достигает высокой степени масштабируемости и децентрализации, он может стать слишком небезопасным, так как обеспечивать безопасность большой разрозненной цепи будет крайне сложно.
Трилемма блокчейна не является закономерностью, а скорее концептуальным фреймворком, который помогает понимать ограничения блокчейн-технологии и принимать более обоснованные решения в разработке и использовании блокчейн-систем.
Решение трилеммы блокчейна остается одним из главных вызовов в блокчейн-индустрии. Разработчики продолжают работать над созданием новых технологий и решений для достижения баланса между тремя ключевыми свойствами блокчейна.
Почему блокчейны так сложно масштабировать?
Блокчейны могут быть сложными для масштабирования по нескольким причинам.
Во-первых, блокчейн работает на децентрализованной сети, где все участники должны иметь доступ к полной копии реестра транзакций. Каждый новый блок добавляется к цепочке блоков, которые хранятся на всех узлах сети. С увеличением числа транзакций размер блокчейна будет расти, и это может сделать его трудным для хранения и передачи на всех узлах.
Во-вторых, блокчейны используют сложные алгоритмы консенсуса, которые обеспечивают безопасность и надежность системы. Эти алгоритмы могут быть сложными и ресурсоемкими, особенно когда число участников сети растет. Это может привести к деградации производительности и задержкам в обработке транзакций.
В-третьих, блокчейн-технология также сталкивается с проблемой функциональной совместимости между различными блокчейнами. Это связано с тем, что каждый блокчейн может использовать свой собственный протокол консенсуса, язык программирования и формат данных, что делает сложным обмен информацией и активами между различными блокчейнами.
Наконец, блокчейн-технология находится на стадии активного развития и не устояла перед массовым применением в реальных условиях, что также является причиной ее сложностей в масштабировании.
Все эти факторы делают блокчейны сложными для масштабирования, и требуют постоянной работы над улучшением алгоритмов консенсуса, повышением производительности, улучшением функциональной совместимости и совершенствованием протоколов блокчейнов в целом.
Одновременно добиться успехов сразу во всех направлениях проблематично. К примеру:
- Proof-of-Work — безопасен, но тяжело масштабируется и медленно работает из-за объема криптографических вычислений;
- Proof-of-Stake — быстро работает, но риск атаки 51% намного выше, для взлома достаточно собрать большое количество монет.
У обоих популярных алгоритмов есть общая проблема — стремление к централизации. Изначально биткоины добывались на обычных компьютерах. Рост стоимости монет привел к росту хешрейта и, соответственно, сложности вычислений. Теперь пользователи вынуждены подключать ангары асиков.
Чтобы получать хотя бы часть от награды за блок, майнеры собираются в пулы. Они объединяют свои мощности в одном узле. Владельцы пулов получают преимущество над другими пользователями и при желании смогут повлиять на работу блокчейна. Кроме того, обрушить пул одной хакерской атакой проще, чем выключить тысячу ферм по всему миру.
Пока разработчикам приходится выбирать максимум 2 из 3 направления для развития. Для этого они создают новые алгоритмы консенсуса, оптимизируют проверку транзакций и стимулируют соло-майнинг.
Кто автор трилеммы блокчейна?
Термин «трилемма блокчейна» был введен Виталиком Бутериным, сооснователем блокчейн-платформы Ethereum, в его выступлении на конференции Devcon One в ноябре 2017 года.
Трилемма стала важной концепцией в блокчейн-индустрии и служит основой для многих дискуссий и разработок в этой области.
Какие подходы применяются к решению трилеммы блокчейна?
Существует несколько подходов к решению трилеммы блокчейна, которые можно разделить на две категории.
Разработка новых протоколов и алгоритмов, которые позволяют достичь баланса между децентрализацией, масштабируемостью и безопасностью. Некоторые примеры таких протоколов включают в себя шардинг в Ethereum 2.0, Lightning Network в биткоин и протоколы Proof-of-Stake в различных блокчейнах.
Использование гибридных моделей, которые сочетают в себе элементы различных подходов. Некоторые блокчейны используют комбинацию публичных и приватных сетей для достижения баланса между децентрализацией и масштабируемостью. Другие системы используют комбинацию различных алгоритмов консенсуса (например, Proof-of-Work и Proof-of-Stake) для достижения баланса между масштабируемостью и безопасностью.
Какими путями решается трилемма блокчейна?
Шардинг — это технология, которая позволяет делить блокчейн на отдельные фрагменты (шарды), каждый из которых может обрабатывать свои транзакции. Это позволяет увеличить пропускную способность блокчейна, при этом сохраняя децентрализацию и безопасность.
Роллапы — это технология, которая позволяет упаковывать множество мелких транзакций в одну крупную и записывать только общую сумму всех транзакций и хэш этой суммы на основной блокчейн. Это позволяет значительно увеличить скорость обработки транзакций и сократить объем хранимых данных, при этом сохраняя децентрализацию и безопасность.
Proof-of-Stake — использование этого алгоритма консенсуса позволяет обрабатывать больше транзакций, чем Proof-of-Work.
Сайдчейны — вспомогательные транзакционные цепочки, увеличивающие количество транзакций в секунду. Они могут иметь такой же алгоритм консенсуса, как у основной сети, или собственный. Если произойдет нарушение безопасности в сайдчейне, то на работе основной сети это никак не скажется.
Использование протоколов компромиссов, таких как компромисс между децентрализацией и производительностью (decentralization-performance tradeoff), которые позволяют настраивать параметры блокчейна в зависимости от конкретных потребностей и целей.
Как роллапы решают трилемму блокчейна?
Роллапы представляют собой сеть смарт-контрактов, которые объединяют множество мелких транзакций в одну крупную. Вместо того чтобы записывать каждую транзакцию в блокчейн, роллапы записывают только общую сумму всех транзакций и хэш этой суммы.
При использовании роллапов транзакции обрабатываются вне цепи (off-chain), то есть вне блокчейна, что позволяет увеличить скорость обработки транзакций. Поскольку роллапы записывают только общую сумму всех транзакций и хэш этой суммы на основной блокчейн, это также позволяет значительно сократить объем хранимых данных.
Одним из наиболее распространенных типов роллапов является Optimistic Rollup, который работает на основе принципа “уважительной невесты”. В этом случае роллапы записывают все транзакции внутри своего смарт-контракта и проверяют их только при необходимости (если возникает конфликт). Если все транзакции верны, они утверждаются и отправляются на основной блокчейн. Если возникает конфликт, роллапы используют специальный механизм решения споров, чтобы найти правильное решение.
Роллапы могут значительно увеличить пропускную способность блокчейна и решить проблему трилеммы блокчейна, однако они требуют дополнительных усилий для разработки и могут быть менее децентрализованными, чем классические блокчейны.
Как Lightning Network решает трилемму блокчейна?
Lightning Network (LN) — это второй уровень для биткоина, который был разработан для решения проблемы масштабирования и повышения производительности сети. LN использует технологию мультиподписных каналов для выполнения транзакций вне блокчейна, что позволяет ускорить время обработки транзакций и уменьшить комиссии.
Чтобы понять, как LN решает трилемму блокчейна, нужно рассмотреть каждый аспект трилеммы отдельно.
Децентрализация
LN сохраняет децентрализацию, поскольку все транзакции по-прежнему выполняются на блокчейне биткоина. Каждый канал между двумя участниками в LN также является децентрализованным, так как он может быть создан и закрыт в любое время участниками канала.
Масштабируемость
LN позволяет масштабировать биткоин до тысячи транзакций в секунду благодаря выполнению транзакций вне блокчейна. Это осуществляется путем создания мультиподписных каналов между участниками, которые могут выполнить несколько транзакций внутри канала без необходимости каждый раз записывать транзакцию в блокчейн. После закрытия канала все транзакции записываются в блокчейн биткоина.
Безопасность
LN использует мультиподпись для обеспечения безопасности транзакций. Каждый канал имеет свой собственный мультиподписной адрес, который используется для подписи и выполнения транзакций между участниками канала. Если участник пытается провести мошенническую транзакцию, то другой участник может предъявить свидетельства об этом и восстановить свои средства.
Lightning Network предоставляет более быстрый, более дешевый и более масштабируемый способ выполнения транзакций в блокчейне биткоина, что делает его более удобным для использования.
В каком блокчейне лучше всех решается трилемма блокчейна?
Не существует одного блокчейна, который лучше всех решает трилемму блокчейна, так как каждый блокчейн выбирает свой собственный подход. Каждый подход имеет свои преимущества и недостатки. Лучший выбор зависит от конкретной ситуации и требований. Например, Binance Smart Chain может быть хорошим выбором для приложений, которые нуждаются в быстрой обработке транзакций и низких комиссиях, а Ethereum — для приложений, которые нуждаются в более высокой степени безопасности и децентрализации.
Как Binance Smart Chain решает трилемму блокчейна?
Binance Smart Chain (BSC) использует гибридную модель алгоритма консенсуса, которая сочетает в себе элементы Proof-of-Stake (PoS) и Proof-of-Authority (PoA).
PoS используется в BSC для выбора валидаторов, которые подтверждают транзакции и создают новые блоки в цепочке. Этот подход позволяет снизить энергозатраты и повысить масштабируемость блокчейна.
PoA используется для управления конфликтами между валидаторами и обеспечения безопасности сети. В PoA участвуют только заранее выбранные узлы, которые являются авторитетными валидаторами. Это позволяет достичь высокой степени безопасности и избежать проблем с конфликтами в сети.
BSC также использует шардинг, который позволяет увеличить пропускную способность сети и повысить масштабируемость.
Как Solana решает трилемму блокчейна?
Основной принцип, на котором основана Solana, — это использование алгоритм консенсуса Proof-of-History (PoH). PoH позволяет быстро и эффективно определять порядок событий, что упрощает работу сети и повышает ее производительность.
Для достижения высокой масштабируемости Solana использует алгоритм консенсуса Tower BFT, который комбинирует в себе преимущества Proof-of-Stake и Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) алгоритмов. Tower BFT позволяет ускорить обработку транзакций и повысить надежность сети.
Для обеспечения безопасности Solana использует встроенную систему (Seccomp), защищенные устройства аппаратного хранения (Hardware Security Modules) и механизмы кодовой проверки и подписи транзакций.
Как Cardano решает трилемма блокчейна?
Для достижения высокой масштабируемости и производительности, Cardano использует протокол консенсуса Ouroboros. Этот протокол использует Proof-of-Stake алгоритм, который позволяет достичь высокой скорости обработки транзакций и экономии энергии.
Одновременно с этим, Cardano использует механизм под названием “слоты времени” (time slots), который обеспечивает точность порядка обработки транзакций и предотвращает возможные атаки.
Для решения проблемы децентрализации, Cardano использует механизмы, которые обеспечивают голосование за управление сетью и принятие решений (DAO). Cообщество пользователей Cardano принимает решения о будущих изменениях в протоколе и развитии платформы.
Для обеспечения безопасности и защиты от атак, Cardano использует механизмы многоуровневой архитектуры безопасности. Это включает в себя механизмы шифрования, подписи транзакций, сегментации данных и защиты от DDoS-атак.
Как Cosmos решает трилемму блокчейна?
Cosmos использует протокол Inter-Blockchain Communication (IBС), протокол Tendermint и модель государственных машин (State Machine Replication, SMR).
IBС позволяет создавать кроссчейн-приложения, которые могут взаимодействовать друг с другом, а также обмениваться данными и ресурсами между разными блокчейнами. Это решает проблему масштабируемости, так как позволяет распределить нагрузку между несколькими блокчейнами.
Cosmos использует протокол Tendermint, в котором задействован Proof-of-Stake, но без ожидания подтверждения транзакции как у биткоина и Ethereum. Tendermint позволяет обрабатывать транзакции в реальном времени, что решает проблему производительности.
Для решения проблемы децентрализации Cosmos использует модель SMR, которая позволяет участникам сети принимать решения о развитии платформы и изменениях в протоколе.
Как Polkadot решает трилемму блокчейна?
Polkadot использует технологию мультичейн (multichain) и протокол GRANDPA.
Мультичейн позволяет создавать приложения, которые могут взаимодействовать друг с другом и обмениваться данными между разными блокчейнами. Это решает проблему масштабируемости, так как позволяет распределить нагрузку между несколькими блокчейнами. Мультичейн позволяет достичь высокой степени децентрализации благодаря множеству независимых блокчейнов, работающих в единой сети.
Протокол GRANDPA позволяет достигать консенсуса быстрее, чем протокол Proof-of-Work (PoW), что решает проблему производительности. Кроме того, GRANDPA является безопасным и эффективным механизмом достижения консенсуса с помощью Proof-of-Stake.
Для решения проблемы децентрализации Polkadot использует механизм Nominated Proof-of-Stake (NPoS), который позволяет участникам сети назначать других участников, которые будут участвовать в процессе принятия решений о развитии платформы и изменениях в протоколе.
Как Algorand решает трилемму блокчейна?
Algorand использует протокол Pure Proof-of-Stake (PPoS) и алгоритм сжатия блоков (Vault).
Протокол PPoS решает проблему децентрализации, позволяя каждому участнику сети принимать участие в процессе принятия решений. Это достигается за счет использования алгоритма выбора случайного участника сети для генерации блоков и принятия решений. На каждом из этапов: предложение добавления блока, выбор нужного блока и проверка первых двух, валидатор выбирается случайным образом.
Vault позволяет уменьшить размер блоков и увеличить скорость обработки транзакций. В нодах не харятся данные о завершенных операциях, транзакция действительна в ограниченное время.
Как NEAR решает трилемму блокчейна?
NEAR использует шардинг Nightshade, алгоритм консенсуса Thresholded Proof-of-Stake (TPoS), решение второго уровня Aurora и мост Rainbow Bridge .
Nightshade позволяет разбить блокчейн на несколько независимых частей, называемых шардами. Каждый шард обрабатывает часть транзакций независимо от других шардов, что позволяет увеличить пропускную способность и масштабируемость сети.
Thresholded Proof-of-Stake работает как аукцион для валидаторов, где существует минимальный порог для вхождения. Чем больше монет претендент готов отправить в стейкинг, тем выше шанс стать валидатором. Валидаторы выбираются в среднем на 12 часов, после чего отбор повторяется.
Rainbow Bridge позволяет переносить активы между блокчейном NEAR и Ethereum. Это помогает решить проблему кроссчейн-взаимодейсвия. Aurora позволяет перенесить ативы между блокчейнами и создавать децентрализованные приложения на платформе, совместимой с Ethereum. Это упрощает работу разработчиков, так как им не нужно использовать новые инструменты и решения.
Также NEAR использует механизм предварительной загрузки (precomputation), который позволяет уменьшить время, необходимое для выполнения смарт-контрактов, и увеличить производительность сети.
Как Aptos решает трилемму блокчейна?
Aptos применяет архитектуру Proof-of-Randomness (PoR) и шардинг.
Архитектура PoR основана на использовании случайных чисел, генерируемых специальным образом в блокчейне. Эти числа используются для выбора валидаторов и определения порядка транзакций в блоке. Платформа Aptos использует комбинацию случайных чисел, генерируемых в блокчейне, и случайных чисел, полученных извне блокчейна, что обеспечивает высокую безопасность и надежность работы сети.
Aptos также использует уникальный подход к шардингу, который позволяет создавать динамические шарды в зависимости от нагрузки на сеть. Это позволяет увеличить пропускную способность и масштабируемость сети без потери безопасности.
Как Avalanche решает трилемму блокчейна?
Avalanche использует механизм консенсуса Avalanche Consensus Protocol (AVAX), системы мульти-активности (Multi-Asset Functionality) и децентрализованных приложений для управления сетью.
AVAX использует схему “согласованности между фрагментами” (Optimistic Responsiveness) для достижения консенсуса, что позволяет ему быть высокопроизводительным и масштабируемым.
Согласованность между фрагментами — это механизм, который позволяет участникам сети быстро принимать решения об изменении состояния сети. Это достигается путем использования множества проверяющих узлов, которые регулярно голосуют за правильность блоков, обрабатываемых в каждом фрагменте. Если большинство проверяющих узлов голосует за блок, то он считается правильным и добавляется в блокчейн. Это позволяет обеспечить быстрое принятие решений и быстрое обновление состояния сети.
Другим важным механизмом, который используется Avalanche для решения трилеммы блокчейна, является система мульти-активности (Multi-Asset Functionality). С помощью этой системы участники сети могут обмениваться различными активами, включая криптовалюты, токены и другие цифровые активы. Это повышает масштабируемость и улучшает производительность сети.
Кроме того, Avalanche использует децентрализованные приложения для управления сетью. Это позволяет пользователям создавать собственные dApps и использовать их на платформе Avalanche.
Как Sui решает трилемму блокчейна?
Sui использует алгоритм консенсуса Proof-of-Stake с двумя видами процедуры обработки транзакций.
Процедура обработки транзакций зависит от того, какой вид активов задействован. Транзакции с переводом монет, голосованием и эмиссией NFT обрабатываются по упрощенной процедуре Fast Pay, основанной на механизме Byzantine Consistent Broadcast. Валидаторам не нужно прийти к консенсусу, необходимы подписи лишь 2/3 валидаторов. Это ускоряет процесс обработки.
Для транзакций со смарт-контрактами нужен поиск консенсуса между валидаторами. Для этого используется механизм Sui Consensus Engine. Он состоит из мемпула Narwhal, который отвечает за синхронизацию и доступность данных для валидаторов, и протокола консенсуса Bullshark, который дает достигнуть консенсуса без обмена информацией между валидаторами.
Транзакции выполняются параллельно, благодаря чему Sui имеет высокую пропускную способность. В секунду может выполняться до 120 000 транзакций. Ethereum обрабатывает 7-15 транзакций в секунду.
Как Mina решает трилемму блокчейна?
Mina использует криптографическое решение zk-SNARKs и алгоритм консенсуса Proof-of-Stake
Смарт-контракты zkApps (Snapps) основаны на доказательствах с нулевым разглашением (zk-SNARKs). Они предоставляют неограниченное автономное выполнение, конфиденциальность для ввода личных данных, которые никогда не видны блокчейну и возможность написания смарт-контрактов на TypeScript.
Mina использует алгоритм консенсуса Proof-of-Stake под названием Ouroboros Samisika. Он основан на Ouroboros от Cardano. Ouroboros Samisika требует гораздо меньше вычислительной мощности, чем протокол Proof-of-Work.
Как Harmony решает трилемму блокчейна?
Harmony использует алгоритм консенсуса Effective Proof-of-Stake (EPoS) и шардинг.
EPoS основан на алгоритме Delegated Proof-of-Stake (DPoS), где владельцы монет могут участвовать в работе сети передавая свои активы валидаторам.
Harmony использует протокол Fast Byzantine Fault Tolerance (FBFT). Благодаря ему транзакции обрабатываются в шардах. Это повышает скорость обработки транзакций.
Шарды Harmony работают параллельно и имеют свои группы валидаторов. Они выбираются из общего количества случайным образом один раз в цикл достижения консенсуса (эпохи). Шарды синхронизируются в конце эпохи и основная сеть Beacon Chain фиксирует количество созданных блоков и передает данные об изменениях шардам.
Как Fantom решает трилемму блокчейна?
Fantom использует Proof-of-Stake и механизм консенсуса Lachesis aBFT.
При Lachesis обработка транзакций происходит разными независимыми узлами, участвуют лидеры узлов, сеть сохраняет работоспособность, когда треть узлов неисправна или является вредоносной и подтверждение транзакции происходит за 1-2 секунды. Валидаторы не пересылают друг другу блоки, а синхронизируются в рамках одной эпохи, обмениваясь станзакциями и событиями. Lachesis полностью совместим с виртуальной машиной Ethereum (EVM) и может быть интегрирован с Cosmos SDK, что дает решить проблему кроссчен-взаимодействия.
Fantom использует Proof-of-Stake и для преодоления риска атаки Сивиллы Fantom требует, чтобы узлы-валидаторы блокировали не менее 500 000 FTM.
Выводы
Трилемма блокчейна — главная проблема криптовалют, мешающая переходу на Web 3.0. Пока разработчики не найдут баланс между масштабируемостью, безопасностью и децентрализацией, невозможно широкое распространение токенов.
