Проблема масштабируемости блокчейна: почему это важно и что дальше

Технология блокчейн никогда не была связана только с биткоином. За прошедшие годы она стала основой децентрализованных финансов, смарт-контрактов, NFT и даже систем цифровой идентификации. Но по мере расширения сферы её применения растёт и нагрузка на её инфраструктуру, особенно в плане масштабируемости.

Почему технология, созданная для инноваций, всё ещё не справляется под давлением? Почему транзакции задерживаются или обходятся в кругленькую сумму при высокой нагрузке на сети? Ответ кроется в том, как изначально было создано большинство блокчейнов: безопасность и децентрализация были приоритетными, часто в ущерб скорости. 

Например, биткойн был никогда не предназначался обрабатывать тысячи транзакций в секунду. И хотя это сделало их безопасными и надёжными, по мере роста популярности это также создало серьёзные проблемы с производительностью.

Итак, что же это такое проблема масштабируемости блокчейна? Читайте дальше, чтобы узнать, что это такое, почему это важно и что делается для решения этой проблемы.

Основные выводы

• Масштабируемость блокчейна означает способность сети быстро обрабатывать больше транзакций без потери безопасности или децентрализации.
  
• Трилемма блокчейна подчеркивает сложность одновременного баланса между масштабируемостью, безопасностью и децентрализацией.
  
• К основным факторам, вызывающим проблемы масштабируемости блокчейна, относятся перегрузка сети, ограниченная пропускная способность, а также ограничения по стоимости и емкости.
  
• Такие решения, как протоколы уровня 2 (например, Lightning Network для Bitcoin), помогают увеличить скорость транзакций, не жертвуя безопасностью.
  
• Улучшенные механизмы консенсуса, такие как переход Ethereum на Proof of Stake, направлены на повышение масштабируемости при сохранении децентрализации.

Что такое масштабируемость блокчейна?

Масштабируемость блокчейна означает способность сети обрабатывать растущее количество транзакций, пользователей и данных без замедления или потери основных функций, таких как безопасность, децентрализация и консенсус.

Проще говоря, речь идёт о том, насколько хорошо блокчейн может расти и при этом функционировать бесперебойно. Например, биткоин может обрабатывать только около 7 - 10 Количество транзакций в секунду (TPS). Это довольно мало по сравнению с традиционными платёжными системами. как виза который может обрабатывать тысячи. 

По мере того, как всё больше людей используют блокчейн, ограниченная пропускная способность становится проблемой, приводя к замедлению транзакций и повышению комиссий. Эта проблема возникает из-за того, что блокчейн-системы часто имеют фиксированные ресурсы, такие как вычислительная мощность, дисковое пространство и пропускная способность интернета. 

Когда спрос растёт, а система не адаптирована к нему, производительность падает. Именно здесь вступает в дело масштабируемость. Масштабируемость блокчейна определяется несколькими ключевыми факторами: пропускной способностью, окончательностью, механизмами консенсуса, стоимостью и ёмкостью, каждый из которых будет подробно рассмотрен далее.

Трилемма блокчейна: баланс между децентрализацией, безопасностью и масштабируемостью

Серьезной проблемой в технологии блокчейн является блокчейн трилемма, идея которой заключается в том, что сеть блокчейнов может полностью оптимизировать только две из трех важнейших характеристик: децентрализацию, безопасность и масштабируемость.

Децентрализация означает распределение управления между множеством независимых участников, что исключает возможность доминирования какого-либо одного органа над сетью. Именно это делает блокчейны не требующими доверия и устойчивыми к цензуре. 

Безопасность гарантирует, что сеть сможет защитить себя от атак и мошенничества, что часто требует значительных вычислительных затрат. Наконец, масштабируемость означает способность сети быстро и эффективно обрабатывать растущее количество транзакций.

Проблема в том, что улучшение одной или двух из этих характеристик обычно ослабляет третью. Возьмём, к примеру, Биткоин: он делает ставку на децентрализацию и безопасность, что делает его высоконадёжным и устойчивым к атакам. 

Однако это ограничивает скорость транзакций примерно до Операции 7 в секунду по сравнению с Visa. Низкая масштабируемость делает Биткоин менее удобным для повседневного использования.

С другой стороны, некоторые блокчейны повысить масштабируемость ограничивая децентрализацию, например, уменьшая количество валидаторов для ускорения транзакций. Хотя это повышает производительность, это ставит под угрозу децентрализованную природу сети и может создать риски безопасности.

Факторы, вызывающие проблемы масштабируемости блокчейна

При обсуждении масштабируемости блокчейна важно понимать основные факторы, ограничивающие производительность и широкое распространение блокчейн-сетей. Ниже приведены некоторые из ключевых факторов, влияющих на масштабируемость блокчейна:

Пропускная способность (транзакций в секунду)

Пропускная способность определяет количество транзакций, которые блокчейн может обработать каждую секунду. Это напрямую влияет на скорость, с которой сеть обрабатывает действия пользователей. 

Как упоминалось выше, Bitcoin обрабатывает около 7 транзакций в секунду (TPS), а Ethereum обрабатывает около 15–30 импульсов в секунду в его нынешнем виде. Низкая пропускная способность традиционных блокчейнов становится серьёзной проблемой в периоды высокого спроса. 

Например, во время 2017 крипто бум, Ethereum оказался перегружен из-за популярности CryptoKitties (игры на основе блокчейна), что привело к резкому росту комиссий за транзакции и задержке времени подтверждения.

По мере того как все больше пользователей присоединяются к блокчейну, растет спрос на вычислительную мощность, однако система может не справиться с этим, если не будут внесены изменения в способ обработки транзакций или построения блоков. 

Когда количество транзакций, отправляемых пользователями, превышает возможности сети, возникают задержки и увеличиваются комиссии за транзакции.

Стоимость и мощность

Одной из самых больших проблем в масштабируемости блокчейна является объем данных, которые должна хранить сеть, и стоимость этого хранения. 

Каждая транзакция, когда-либо совершённая в блокчейне, хранится постоянно, начиная с генезис-блока (первого блока) и до самого последнего. С течением времени блокчейн растёт в размере.

Каждый полный узел (компьютер, хранящий полную копию блокчейна) должен загружать и поддерживать эти растущие данные. Со временем это становится всё более требовательным с точки зрения дискового пространства, вычислительной мощности и электроэнергии.

На данный момент блокчейн биткоина более 500 ГБ по размеру. Не каждый участник может позволить себе оборудование или пропускную способность для поддержки полного узла, что ограничивает круг тех, кто может внести свой вклад в децентрализацию сети.

Это создает проблему масштабируемости, поскольку если меньше людей смогут позволить себе запускать узлы, сеть может стать более централизованной, что противоречит одной из основных целей блокчейна.

Размер сети и участие узлов

Размер сети и количество узлов также создают проблемы масштабируемости блокчейна. С увеличением числа узлов сеть становится более децентрализованной и безопасной. Однако увеличение числа узлов означает, что каждая транзакция и блок должны быть совместно использованы и проверены многими участниками, что увеличивает коммуникационные издержки.

При трансляции транзакции она должна достичь всех узлов, а при добавлении нового блока она также должна распространиться по всей сети. Этот процесс потребляет полосу пропускания и увеличивает задержку распространения, особенно при больших блоках или медленном интернет-соединении.

Слишком медленное распространение может привести к разветвлениям блокчейна, снижению эффективности консенсуса и сделать сеть уязвимой для атак. Например, размер блоков Bitcoin ограничен (около 1 МБ), что помогает сократить задержку распространения. Однако это также ограничивает количество транзакций, которые можно обработать в каждом блоке, что делает его менее масштабируемым.

Задержка и окончательность

Задержка — это время, необходимое для обработки транзакции, а окончательность — это момент, когда транзакция становится необратимой и считается подтверждённой. Во многих блокчейнах окончательность не наступает мгновенно. 

Например, в биткойне это занимает Подтверждения 6 (или блоков), чтобы считать транзакцию безопасной. Поскольку новый блок создаётся каждые 10 минут, пользователю может потребоваться около часа, чтобы транзакция полностью завершилась.

Эта задержка представляет собой проблему для реальных приложений, таких как онлайн-платежи или игровые платформы, где пользователи ожидают практически мгновенных результатов. В отличие от этого, централизованные системы, такие как сети кредитных карт, обеспечивают завершение транзакций за считанные секунды.

Механизмы консенсуса (Proof of Work vs. Proof of Stake)

Механизмы консенсуса — это методы, которые блокчейны используют для согласования того, какие транзакции являются действительными. Например, Доказательство работы (PoW), используемый Bitcoin, требует от майнеров решения сложных головоломок. 

Этот процесс медленный и требует большого количества энергии, что ограничивает скорость транзакций. С другой стороны, Доказательство доли (PoS), используемый новыми блокчейнами, такими как Ethereum 2.0, работает быстрее и более энергоэффективно. 

Таким образом, он обеспечивает более высокую пропускную способность транзакций и более быстрое подтверждение. Некоторые блокчейны, такие как Solana, используют комбинации методов консенсуса для значительного увеличения скорости (до 65 000 транзакций в секунду). Однако эти компромиссы иногда снижают децентрализацию или безопасность.

Влияние проблем масштабируемости блокчейна на пользователей и приложения

Источник: Freepik

Проблемы масштабируемости напрямую влияют на пользовательский опыт и практическое применение блокчейн-приложений. Вот некоторые из последствий, которые они оказывают на пользователей и приложения:

Медленная обработка и подтверждение транзакций

Одним из наиболее заметных последствий проблем с масштабируемостью блокчейна является медленная обработка транзакций. Когда множество пользователей пытаются совершать транзакции одновременно, сеть перегружается, что приводит к задержкам. 

Например, подтверждение транзакций Bitcoin обычно занимает около 10 минут в обычных условиях. Однако в часы пик, например, во время криптовалютных бычий в конце 2017 года или во время всплеска в начале 2021 года время подтверждения растягивалось до нескольких часов.

Кроме того, на пике своего развития перегрузка сети Ethereum приводила к значительному замедлению транзакций. В результате эта перегрузка раздражала пользователей, полагавшихся на своевременное взаимодействие со смарт-контрактами и децентрализованными приложениями.

Увеличение комиссий за транзакции в периоды пиковой нагрузки

По мере замедления времени проведения транзакций комиссии имеют тенденцию расти, поскольку пользователи конкурируют за более быструю обработку своих транзакций, предлагая майнерам более высокие комиссии. 

В конце 2017 года, во время бума биткоина, средняя комиссия за транзакцию превысила 37 долларов, что сделало её непрактичной для небольших платежей. Эти высокие комиссии отпугивают обычных пользователей от использования блокчейн-сетей для небольших или рутинных транзакций. 

Например, покупка чашки кофе за биткоины может стать более дорогой во время резких скачков комиссий, что ограничит практичность блокчейна для микротранзакций или розничных платежей.

Ограничения для реальных приложений, таких как платежи и цепочки поставок

Проблемы масштабируемости также ограничивают способность блокчейна поддерживать сложные реальные приложения. 

Это ограничение распространяется на управление цепочками поставок, где отслеживание тысяч продуктов с частыми обновлениями требует быстрой и масштабируемой сети. 

Проекты как Продовольственный фонд IBM используйте блокчейн для обеспечения прозрачности цепочки поставок, но ограничения масштабируемости иногда замедляют обновление данных в режиме реального времени или увеличивают затраты.

Нестабильность сети и сбои

Когда сеть блокчейна перегружена, она может страдать от нестабильности или даже временных сбоев. 

Например, Солана, известная своей высокой пропускной способностью, испытала несколько сбои в сети в 2021 и 2022 годах из-за чрезмерного количества транзакций. Эти сбои могут нарушить работу сервисов, основанных на блокчейне, и подорвать доверие пользователей.

Подходы и решения для решения проблем масштабируемости блокчейна

Источник: Freepik

Острая потребность в масштабируемых сетях блокчейнов привела к разработке различных решений, призванных устранить ключевые проблемы масштабируемости, такие как ограниченная пропускная способность транзакций. 

Эти решения направлены на увеличение пропускной способности сети и скорости транзакций, сохраняя при этом безопасность и децентрализацию, которые являются основой ценности блокчейна. К ним относятся:

Решения уровня 1 (в сети)

Решения уровня 1 Основное внимание уделяется оптимизации основного протокола блокчейна. Эти обновления повышают пропускную способность сети, изменяя принципы работы самого блокчейна. Распространенные подходы уровня 1 включают:

• Сегрегированное свидетельство (SegWit)

Представлено разработчиками Bitcoin, SegWit Улучшает масштабируемость, изменяя способ хранения данных о транзакциях. Отделяя подписи транзакций от остальных данных, SegWit освобождает место в каждом блоке, позволяя большему количеству транзакций уместиться в блоке Bitcoin размером 1 МБ. 

Это повышает пропускную способность транзакций и снижает комиссии, хотя и не обеспечивает полной масштабируемости.

• Sharding

Популяризированный Ethereum, перерывы в шардинге блокчейн на более мелкие параллельные «осколки», каждый из которых обрабатывает свой собственный подмножество транзакций. 

Это позволяет сети обрабатывать множество транзакций одновременно, значительно увеличивая пропускную способность. Однако шардинг требует сложного взаимодействия между шардами и может создавать проблемы безопасности.

• Жесткие вилки

Они предполагают фундаментальные изменения правил блокчейна, такие как увеличение размера блока или сокращение времени его создания. Хард-форки могут повысить пропускную способность, но часто приводят к расколу сообщества, как это произошло с Bitcoin Cash.

Решения уровня 2 (вне сети)

Решения уровня 2 Создание дополнительных протоколов поверх базового блокчейна для «разгрузки» обработки транзакций. Это снижает нагрузку на основной блокчейн и ускоряет транзакции без изменения базового протокола блокчейна. Ключевые методы уровня 2 включают:

• боковые цепи

Отдельные блокчейны, подключенные к основной цепочке, позволяют проводить транзакции вне основной сети и возвращаться к ней позже. Например, Plasma в Ethereum и Parachains в Polkadot используют сайдчейны для повышения масштабируемости при сохранении безопасности.

• Государственные каналы

Это позволяет участникам проводить множество транзакций вне блокчейна и записывать в основной блокчейн только конечный результат. Этот метод идеально подходит для высокочастотных транзакций с небольшими суммами, таких как игры или микроплатежи.

• Платежные каналы и сеть Lightning 

Сети Lightning (Биткойн) и Raiden (Эфириум) создают прямые офчейн-платежные каналы между пользователями. Они позволяют проводить мгновенные и недорогие транзакции, окончательный баланс которых впоследствии рассчитывается в основном блокчейне.

• Вложенные блокчейны

Они включают в себя основной блокчейн, контролирующий несколько вторичных цепочек, что позволяет осуществлять параллельную обработку транзакций без ущерба для безопасности.

Масштабируемые механизмы консенсуса

Алгоритмы консенсуса играют ключевую роль в безопасности блокчейна, но также могут ограничивать масштабируемость. Новые методы консенсуса направлены на ускорение проверки транзакций с меньшими затратами энергии и времени:

• Доказательство ставки (PoS)

PoS обеспечивает более быструю обработку транзакций и снижает потребление энергии. Переключатель Эфириума от Proof of Work к PoS значительно повысилась масштабируемость за счет замены энергоемкого майнинга валидаторами, выбираемыми на основе их доли. 

Помимо вышесказанного, Algorand использует механизм консенсуса Pure Proof of Stake (PPoS). Этот подход отличается от традиционных систем PoS, которые часто полагаются на фиксированный набор валидаторов.

В этом случае Algorand случайным образом выбирает небольшой комитет валидаторов для каждого нового блока. Такой подход способствует поддержанию как децентрализации, так и безопасности. Он также позволяет сети достичь высокой масштабируемости и быстрого завершения, что делает её пригодной для приложений реального времени.

• Делегированное подтверждение кола (DPoS)

В этом случае держатели токенов выбирают небольшую группу доверенных валидаторов для создания блоков, что повышает пропускную способность за счёт некоторой децентрализации. Например, один из самых известных блокчейнов DPoS, EOS использует 21 избранный производитель блоков будет осуществлять валидацию транзакций быстро и с низкими затратами.

• Подтверждение полномочий (PoA)

Речь идёт о системе, основанной на репутации, где транзакции подтверждаются только избранными узлами. Кроме того, PoA обеспечивает высокую эффективность для частных или консорциумных блокчейнов.

Византийская Отказоустойчивость (BFT)

Разработанные для поддержания консенсуса даже в случае злонамеренных действий некоторых узлов, варианты BFT повышают надежность и пропускную способность в эксклюзивных сетях блокчейнов.

Гибридные решения

Некоторые блокчейн-проекты сочетают несколько подходов для максимальной масштабируемости. Например, Основная сеть DAO объединяет безопасность доказательства работы Bitcoin с эффективностью делегированного доказательства доли владения Ethereum посредством уникального консенсуса Satoshi Plus. 

Этот гибридный метод позволяет увеличивать объемы транзакций, сохраняя при этом децентрализацию и безопасность, открывая путь для масштабируемых децентрализованных приложений (dApps).

Межсетевые решения

Поскольку многие блокчейны работают независимо, взаимодействие становится ключевым фактором в решении проблемы масштабируемости. Межсетевые протоколы Такие блокчейны, как Polkadot и Cosmos, позволяют различным блокчейнам беспрепятственно взаимодействовать и передавать активы. 

Объединяя сети, эти решения повышают общую емкость и гибкость экосистемы блокчейна, помогая устранить ограничения масштабируемости.

Компромиссы и трудности при решении проблем масштабируемости блокчейна

Когда дело доходит до решения проблем масштабируемости блокчейна, возникает множество проблем и компромиссов. 

Ниже приведены некоторые ключевые компромиссы и проблемы:

Баланс децентрализации и масштабируемости

Одна из самых сложных задач при решении вопросов масштабируемости блокчейна — это компромисс между децентрализацией и масштабируемостью. Повышение масштабируемости часто означает снижение децентрализации, что противоречит основному принципу блокчейна. 

Найти правильный баланс, при котором сеть останется безопасной, децентрализованной и масштабируемой, сложно и требует тщательного выбора проекта.

Консенсус и соглашение сообщества

В децентрализованных системах ни один единый орган не может обеспечить внесение изменений. Для внедрения обновлений необходимо достичь консенсуса между всеми заинтересованными сторонами: майнерами, разработчиками и пользователями. 

Без широкого согласия изменения могут вызывать расколы В сообществе возникают разногласия, что приводит к появлению отдельных блокчейнов, как это было с Bitcoin Cash и Ethereum Classic. Эти расколы могут ослабить общую экосистему.

Обратная совместимость и обновления

Любое обновление блокчейна должно быть обратно совместимым, поскольку в децентрализованных сетях нет принудительных обновлений. Это означает, что новые версии должны работать со старыми, чтобы избежать сбоя в работе системы. 

Однако это ограничение затрудняет реализацию решений по масштабируемости и увеличивает необходимость тщательного тестирования.

Стоимость разделения сообщества

Когда разногласия приводят к вилки или расколы, всё блокчейн-сообщество несёт расходы. Поддержание блокчейна требует постоянных усилий со стороны разработчиков, майнеров и пользователей. Разделение размывает ресурсы и энтузиазм, что может негативно сказаться на росте экосистемы и доверии к ней.

Будущее масштабируемости блокчейна

В перспективе масштабируемость блокчейна значительно повысится по мере развития новых технологий и подходов. Проблема баланса между безопасностью, децентрализацией и скоростью остаётся актуальной. 

Однако постоянные инновации приближают нас к созданию блокчейн-сети, способной выдерживать масштабное использование без ущерба для своих базовых принципов. Одним из ключевых направлений прогресса является совершенствование базовых протоколов блокчейна, часто называемых решениями уровня 1.

Они подразумевают перепроектирование самой сути работы блокчейна, например, изменение способа проверки транзакций или способа хранения данных для увеличения количества транзакций, обрабатываемых в секунду. 

В то же время, всё более важным становится объединение различных блокчейнов посредством кроссчейн-технологии. Вместо того, чтобы отдельные блокчейны работали самостоятельно, эти решения позволяют различным сетям легко обмениваться информацией и активами. 

Наконец, набирает обороты и взаимодействие, то есть способность различных блокчейн-систем взаимодействовать и работать вместе. Короче говоря, будущее масштабируемости блокчейнов выглядит многообещающим, учитывая достижения как в базовой технологии, так и в взаимодействии блокчейнов друг с другом. 

Заключение

Решение проблемы масштабируемости блокчейна — это процесс, требующий совместных усилий разработчиков, пользователей и компаний. Масштабируемость — это не только ускорение транзакций; это создание сетей, способных расти и адаптироваться, сохраняя при этом безопасность и децентрализацию. 

Как более отрасли и люди С использованием блокчейна потребность в практичных и долгосрочных решениях для масштабируемости становится всё более важной. Решение этих задач, будь то решения второго уровня или более эффективные методы консенсуса, имеет ключевое значение для будущего блокчейна. 

Ведущаяся сейчас работа закладывает основу для блокчейнов, способных решать реальные задачи, не теряя при этом своих отличительных черт. По мере развития этих улучшений блокчейн станет более полезным в повседневной жизни и в различных отраслях, выходящих за рамки технологий.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Что такое масштабируемость блокчейна?

Масштабируемость блокчейна определяется способностью сети эффективно обрабатывать растущее количество транзакций без ущерба для безопасности или децентрализации. Она определяет, насколько хорошо блокчейн может справляться с растущим спросом по мере присоединения к сети новых пользователей и приложений.

Является ли масштабируемость единственной проблемой, с которой сталкиваются блокчейны?

Нет, масштабируемость — одна из нескольких проблем, наряду с обеспечением безопасности и децентрализацией. Эти три фактора образуют так называемую «трилемму блокчейна», где улучшение одного из них часто влияет на другие.

Каковы наиболее распространенные проблемы масштабируемости блокчейна?

К распространенным проблемам относятся перегрузка сети, ограниченная пропускная способность транзакций, высокие комиссии за транзакции, задержка в подтверждении блоков, а также ограничения по стоимости и емкости.

Эффективны ли решения уровня 2 для улучшения масштабируемости блокчейна?

Да, решения уровня 2, такие как Lightning Network (для Bitcoin) и Plasma (для Ethereum), помогают обрабатывать транзакции вне основной цепочки, уменьшая перегрузку и увеличивая скорость.

Каковы улучшения уровня 1 в масштабируемости блокчейна?

Улучшения уровня 1 подразумевают внесение изменений в сам базовый протокол блокчейна, например, внедрение новых механизмов консенсуса (например, Proof of Stake), шардинг или оптимизацию структур данных для повышения пропускной способности и сокращения задержек.