Комплексный обзор 11 наиболее многообещающих решений масштабируемости в 2023 году

Блокчейн сталкивается с проблемой масштабируемости из-за ограниченной пропускной способности транзакций, медленного времени подтверждения и ресурсоемких механизмов консенсуса. По мере роста базы пользователей растет спрос на транзакции, что приводит к перегрузкам и препятствует широкому внедрению технологии блокчейн.

Решение масштабируемости имеет решающее значение для улучшения пользовательского опыта, поддержки реальных приложений и обеспечения конкурентоспособности сетей блокчейнов в быстро развивающейся отрасли.

Здесь я рассмотрю основные решения по масштабируемости блокчейна, доступные в 2023 году, разделив их на ончейн- и офчейн-решения.

5 решений для масштабирования внутри цепочки

Решения для масштабирования внутри цепочки, также известные как «решения для масштабирования первого уровня», относятся к улучшениям масштабируемости, реализованным непосредственно на базовом уровне блокчейна, и включают в себя такие методы, как:

* Шардинг * Оптимизация алгоритма консенсуса * Форкование * Динамический размер блока * Государственная аренда

Эти решения обычно меняют базовый механизм консенсуса, методы обработки данных или структуру блоков. В любом случае, цель — повысить пропускную способность транзакций цепочки L1.

1. Шардинг

Шардирование делит сеть блокчейна на более мелкие части, называемые «осколками». Каждый сегмент работает как независимый блокчейн, то есть может обрабатывать подмножество транзакций автономно. Задача единой основной цепочки — синхронизировать все шарды.

Например, в Ethereum шардинг применяется с декабря 2020 года, когда запустил Beacon Chain. За счет распараллеливания обработки данных пропускная способность сети существенно увеличивается. Однако шардинг усложняет консенсус блокчейна и создает новые риски. По этим причинам разработчики Ethereum отложили внедрение шардинга.

2. Оптимизация алгоритма консенсуса

Оптимизация алгоритма консенсуса – это широкий термин, охватывающий различные улучшения базового механизма консенсуса для масштабируемости. Вот несколько примеров:

* Очистка удаляет ненужные данные из блокчейна, например старую информацию о транзакциях, которая больше не нужна для проверки. Это делает блокчейн более управляемым за счет уменьшения его размера. * Распараллеливание позволяет сети обрабатывать транзакции параллельно, а не последовательно, увеличивая пропускную способность. * Оптимизированные схемы подписи сокращают вычислительную нагрузку, необходимую для проверки транзакции, ускоряя процесс согласования и подтверждения блокировки.

Например, компания Zircuit первой разработала схемы декомпозиции для параллельной обработки транзакций. Некоторые блокчейны, которые использовали обрезку для повышения производительности, включают VMware Blockchain, Monero и Aptos.

В некоторых случаях оптимизация алгоритма консенсуса приводит к мягким или хард-форкам.

3. Мягкое и жесткое форк

Мягкие и хардфорки часто вносят существенные изменения в протокол блокчейна, например введение новых функций, исправление уязвимостей безопасности или изменение алгоритма консенсуса.

Хард-форк – это серьезное структурное или фундаментальное изменение протокола блокчейна (например, увеличение размера блока или сокращение времени блока). Требуется обновление всех узлов до новой версии, что часто является спорным и может привести к разделению сети.

И наоборот, мягкая вилка обратно совместима, то есть узлы, которые не были обновлены, все равно могут взаимодействовать с обновленными узлами.

Наиболее заметными мягкими и хард-форками являются Segregated Witness (SegWit) и Bitcoin Cash соответственно.

SegWit, изменение протокола сети Биткойн, внесло решающее улучшение за счет отделения подписей транзакций от данных. Такое разделение повысило масштабируемость за счет уменьшения размера каждой транзакции, а это означает, что в блок можно включить больше транзакций.

Хотя технически это был софт-форк, некоторые разработчики Биткойна начали хард-форк, чтобы избежать обновления протокола. В результате разделения появилась совершенно новая сеть — Bitcoin Cash.

4. Динамический размер блока

Некоторые блокчейны динамически корректируют размер блока в зависимости от перегрузки сети, допуская больше транзакций в периоды занятости. Это позволяет им эффективно справляться с высокой активностью.

Однако чрезмерно большие блоки создают проблемы централизации, поскольку отдают предпочтение узлам с большими ресурсами. Найти баланс между достижением оптимальной масштабируемости с динамическим размером блока без ущерба для децентрализации и стабильности сети сложно.

Monero, криптовалюта, ориентированная на конфиденциальность, является наиболее успешным и известным примером блокчейна с динамическим размером блока. Другой пример — Safex Cash.

5. Государственная аренда

Государственная аренда — это механизм, реализованный в протоколе блокчейна, который взимает с пользователей постоянную плату за хранение их данных и смарт-контрактов в блокчейне. Это помогает предотвратить неограниченное хранение, уменьшая раздувание сети и повышая эффективность. Кроме того, он поощряет ответственное использование блокчейна и обеспечивает более устойчивую и масштабируемую систему.

Основная цель блокчейна Nervos, также известного как Общая база знаний (CKB), — надежное хранение и сохранение данных и активов пользователей. Он взимает государственную арендную плату, чтобы компенсировать майнерам предоставление места для хранения и обеспечить масштабируемость сети, препятствуя хранению ненужные данные.

6 решений для масштабирования вне сети

Решения по масштабированию вне цепочки направлены на увеличение пропускной способности транзакций базового уровня, как и решения внутри цепочки. Однако вместо внесения изменений в цепочку L1 методы вне цепочки масштабируют свою мощность за счет обработки транзакций и смарт-контрактов за пределами основной цепочки.

Вот решения для масштабирования вне сети, которые я рассмотрю ниже:

* Мосты и протоколы взаимодействия. * Сайдчейны * Блокчейны второго уровня (L2) * Состояние и каналы оплаты * накопительные пакеты * Валидий

:::информация Небольшое примечание, прежде чем мы начнем: Термины «решения для масштабирования вне сети» и «блокчейны второго уровня» иногда используются как синонимы, но они не являются синонимами (подробнее об этом позже).

:::

1. Мосты и протоколы взаимодействия

Мосты и протоколы взаимодействия сами по себе не являются решениями для масштабирования. Однако они обеспечивают совместимость различных блокчейнов, облегчая межцепочные транзакции и взаимодействие. Это позволяет распределять нагрузку по нескольким взаимосвязанным цепочкам, способствуя масштабируемости.

По сути, мосты используют смарт-контракты, развернутые в основной цепочке и боковой цепочке или на уровне 2, для управления соединением активов и данных между ними. Однако активы физически не перемещаются между цепочками. Механизм моста обычно включает в себя запись или блокировку и выпуск для передачи ценности.

Мосты можно использовать для соединения слоев блокчейна или отдельных блокчейнов. Например, вы можете использовать мост для перевода средств из Ethereum (L1) в Arbitrum (L2, построенный на Ethereum) или перенести их из Ethereum (L1) в Solana (другой L1).< /п>

2. Сайдчейны

Боковая цепь – это отдельный блокчейн, который работает независимо от основной цепи и использует двусторонний мост для межцепочной связи. Эти цепочки могут иметь совершенно разные протоколы, параметры блоков, алгоритмы консенсуса и токены и часто оптимизированы для конкретных случаев использования.

Хотя они обычно ориентированы на эффективную обработку транзакций, использование сайдчейнов предполагает компромиссы. Они часто жертвуют некоторой степенью децентрализации и безопасности ради высокой пропускной способности, усложняют работу и требуют больших инвестиций и усилий для установки.

Боковые цепи независимы, но обычно привязаны к основной цепи. Для связи активы блокируются в основной цепочке, а эквивалентная сумма разблокируется в боковой цепочке (и наоборот).

Основная цепь может быть подключена к нескольким сайдчейнам и использоваться в качестве ретрансляционной сети для связи между сайдчейнами.

Вот несколько ярких примеров сайдчейнов:

* Gnosis Chain была одной из первых сайдчейнов Ethereum. Его основная цель — масштабировать основную цепочку за счет более быстрых и дешевых транзакций. * Liquid Network улучшает функциональность Биткойна за счет более быстрых транзакций и большей конфиденциальности. * RootStock добавляет в сеть Биткойн функциональность смарт-контрактов, позволяя создавать децентрализованные приложения с использованием Solidity.

Polygon часто называют сайдчейном, но после ребрендинга Matic Network в 2021 году он превратился в характеристики уровня 2.

3. Блокчейны второго уровня

Блокчейны второго уровня — это не одно решение, а группа решений. Как уже упоминалось, термины «блокчейны второго уровня» и «решения для автономного масштабирования» иногда используются как синонимы, но они не являются синонимами.

По сути, что отличает уровень 2 от других методов оффчейн, включая сайдчейны, так это то, что они получают свою безопасность от цепочки уровня 1.

Решения масштабируемости второго уровня включают каналы состояния, каналы оплаты, оптимистические объединения и объединения с нулевым разглашением данных.

4. Состояние и каналы оплаты

Каналы позволяют участникам выполнять неограниченное количество мгновенных и удобных транзакций вне сети, отправляя при этом только две транзакции внутри сети — одну для открытия и другую для закрытия канала. Это обеспечивает чрезвычайно высокую пропускную способность транзакций при низких затратах. Это также уменьшает перегрузки, комиссии и задержки в основной цепочке.

Каналы состояний подходят для всех типов транзакций, включая вычисления общего назначения. Они особенно полезны в сценариях, требующих частого взаимодействия между сторонами, например в играх или микротранзакциях.

Платежные каналы – это особый тип государственного канала для проведения быстрых и экономичных микроплатежей непосредственно между участниками.

Хотя существуют некоторые нюансы, характерные для платежных каналов, процесс использования канала обычно состоит из трех этапов:

1. Настройка канала. Участники создают кошелек. a> на блокчейне и зафиксировать в нем определенное количество криптовалюты, установив исходное состояние.
2. Транзакции вне сети. Участники проводят между собой серию транзакций вне сети. Эти транзакции не передаются в блокчейн, а подписываются участвующими сторонами.
3. Закрытие канала. Когда участники закончат, они могут закрыть канал, отправив окончательное состояние в основную цепочку.

Двумя наиболее известными каналами являются Lightning Network для Биткойнов и Raiden Network<. /a> для Эфириума.

5. Оптимистичные сводные данные и сводные данные с нулевым разглашением

Объединенные пакеты созданы для увеличения пропускной способности транзакций и снижения затрат для пользователей. Они называются «свертываниями», потому что они объединяют (т. е. объединяют) набор транзакций, выполняют их на виртуальной машине (ВМ) вне цепочки и отправляют обновление состояния, представляющее все пакетные транзакции, в смарт-контракт в L1.

Смарт-контракт, развернутый в основной цепочке, соединяет два уровня и поддерживает состояние свертки — он работает как мост между двумя уровнями.

Основное различие между оптимистичными накопительными пакетами и накопительными пакетами с нулевым разглашением (ZK) заключается в их моделях безопасности.

* Объединенные пакеты ZK отправляют только сводку всех транзакций и подтверждение действительности для завершения пакета транзакций. Как только смарт-контракт проверит подтверждение действительности, средства могут быть немедленно переведены из L2 в L1. * Оптимистичные сводные данные отправляют все данные транзакций в основную цепочку пакетами и предполагают, что транзакции действительны по умолчанию. Это приводит к быстрой обработке, но существует период задержки для вывода средств с L2 на L1, чтобы любой участник мог предоставить доказательство мошенничества, если он считает, что транзакция недействительна.



Объединенные пакеты — одно из самых безопасных и многообещающих решений масштабирования, поскольку они работают независимо, но полагаются на основную цепочку для обеспечения доступности данных и окончательности транзакций, что обеспечивает ее безопасность и децентрализацию.

Примеры объединения ZK включают zkSync, Starknet и Polygon zkEVM. Arbitrum и Optimism — самые популярные оптимистические сводки. Zircuit – это новаторский пакет гибридной архитектуры, сочетающий в себе оптимистическую инфраструктуру и инфраструктуру ZK.

6. Валидиум

Validium сочетает в себе преимущества объединений и каналов состояния, создавая высокомасштабируемое решение второго уровня, ориентированное на конфиденциальность. Он выполняет транзакции и хранит данные вне цепочки, существенно увеличивая пропускную способность. Настолько, что одна цепочка Validium может обрабатывать более 9000 транзакций в секунду (и несколько цепочек могут работать параллельно).

Как и ZK-rollups, он отправляет доказательства действительности в смарт-контракт на базовом уровне для проверки транзакций вне сети и обеспечивает быстрый вывод средств. Однако он не хранит данные транзакций на базовом уровне — в этом главное отличие валидиумов от ZK-коллапов.

Хотя это одна из причин, по которой валидиумы обеспечивают такую ​​высокую пропускную способность транзакций, она требует компромиссов. Например, данные вне сети могут быть скрыты от пользователей, заморозив их средства в L2.

StarkEx от StarkWare — это решение для масштабирования на основе проверки достоверности, в котором вы можете работать с доступностью данных ZK-rollup или Validium. Еще один интересный пример — zkSync от Matter Lab. Они сегментировали сеть — одна часть работает как обычный ZK-роллап, а другая, корень zkPorter, работает как валидиум, где доступность данных обеспечивается подавляющим большинством доли валидатора.



Заключительные мысли: зачем нам так много решений по масштабируемости блокчейна?

Различные решения по масштабированию блокчейна необходимы для массового внедрения блокчейна и Web3 из-за различий в потребностях разных вариантов использования и пользователей. предпочтения. У каждой сети и приложения есть уникальные проблемы с масштабируемостью; поэтому не существует универсального решения.

Наличие нескольких решений обеспечивает гибкость в решении конкретных проблем масштабируемости, подходит для различных приложений, отвечает требованиям глобальной базы пользователей и предотвращает единые точки отказа. Такое разнообразие способствует инновациям и конкуренции, что в конечном итоге повышает общую эффективность, удобство использования и доступность технологий блокчейна и Web3.

В 2023 году разработчики представили множество решений для масштабирования блокчейна, включая инновационные гибридные архитектуры. Прорывы в исследованиях возродили интерес к объединенным данным с нулевым разглашением. 2024 год обещает оживление в сфере блокчейнов, и я ожидаю продолжения роста экосистемы масштабируемости.

:::информация Также опубликовано здесь.

:::

---

Оригинал