Модульна дисертація: масштабування Web3 за допомогою зведення

Модульна дисертація передбачає, що ми спільно змінимо спосіб створення та використання блокчейнів. Крім того, модульна конструкція забезпечує масштабовані та безпечні рівні виконання, оскільки ми переходимо до ажіотажу та підвищеної активності bullrun!

Отже, що таке модульна архітектура блокчейну?

У монолітних мережах (напр Ethereum і Solana), виконання, врегулювання та консенсус/доступність даних (DA) об’єднані на одному рівні:

• Доступність даних: концепція, згідно з якою будь-які дані, опубліковані в мережі, доступні та доступні для всіх учасників мережі (принаймні протягом певного часу).
• Виконання: визначає, як вузли в блокчейні обробляють транзакції, переводячи їх між станами.
• Розрахунок: остаточність (імовірнісна або детермінована) є гарантією того, що транзакція, здійснена в ланцюжку, є незворотною. Це відбувається лише тоді, коли ланцюжок впевнений у дійсності транзакції. Отже, врегулювання означає підтвердження транзакцій, перевірку доказів і арбітражне вирішення спорів.
• Консенсус: механізм, за допомогою якого вузли погоджуються з тим, які дані в блокчейні можна перевірити як правдиві та точні.

Монолітна блокчейн-архітектура (Джерело: Celestia)

Хоча монолітний підхід до проектування має певні переваги (наприклад, зменшена складність і покращена можливість компонування), він не обов’язково добре масштабується. Ось чому модульні конструкції розділяють ці функції, виконуючи їх на окремих спеціалізованих рівнях.

Таким чином, модульний простір складається з:

• Рівні виконання (зведення)
• Шари поселень (напр Ethereum)
• Рівень консенсусу/DA (наприклад, Селестія)

Модульна архітектура блокчейну (Джерело: Celestia)

У більш широкому плані модульний ландшафт також включає:

• Рішення для секвенування,
• Доведення рішень,
• Рішення для взаємодії,
• Проекти, зосереджені на абстракції потоку порядку
• Різні постачальники інфраструктури (фреймворки згортання, рішення для зведення як послуга та інші інструменти)

У цій короткій вступній частині основна увага приділяється тому, як ми перейшли до зведення на основі (він же модульні) рішення для масштабування, перш ніж ми глибоко зануримося в нюанси модульних блокчейн-систем протягом наступних тижнів у цій новій серії.

Заклик до зброї

Думаєте, у вас є все необхідне, щоб увійти в замок і зробити внесок у дослідження, громадські ініціативи, аналіз належної обачності та консультування/обслуговування проектів у просторі? Або, можливо, ви хочете підвищити кваліфікацію та спостерігати за членами спільноти, які вже пройшли успішний шлях стажера?

Заповніть анкету!

Історія масштабування

Масштабування пропускної здатності блокчейнів було головним напрямком досліджень і розробок у космосі з моменту його створення. Безперечно, щоб досягти справжнього «масового впровадження», блокчейни повинні мати можливість масштабування. Простіше кажучи, масштабованість — це здатність мережі обробляти велику кількість транзакцій швидко та з низькою ціною. Отже, це означає, що коли з’являється більше випадків використання та прискорюється впровадження мережі, продуктивність блокчейну не страждає. Виходячи з цього визначення, Ethereum не має масштабованості.

Зі збільшенням використання мережі ціни на газ в Ethereum різко зросли до неприйнятно високого рівня, що зрештою позбавило багатьох менших користувачів можливості повністю взаємодіяти з децентралізованими програмами. Приклади включають монетний двір BAYC (що призвело до стрибка зборів за газ до 8000 gwei) або падіння артблоків NFT (що призвело до стрибка зборів за газ до понад 1000 gwei) - для порівняння, газ на той час становить 6 gwei написання. Подібні екземпляри дали альтернативні, більш «масштабовані» блокчейни L1 (тобто Solana) шанс з’їсти частку ринку Ethereum. Однак це також стимулювало інновації щодо збільшення пропускної здатності мережі Ethereum.

Однак підходи до масштабування, які використовують ці Alt-L1, часто обходяться ціною децентралізації та безпеки. Ланцюги Alt-L1, такі як Solana , наприклад, вирішили використовувати менший набір валідаторів і збільшили вимоги до обладнання для валідаторів. Хоча це покращує здатність мережі перевіряти ланцюжок і підтримувати його стан, це зменшує кількість людей, які можуть перевірити ланцюжок самостійно, і збільшує бар’єри для входу в мережу. Цей конфлікт також називають трилемою блокчейну (наочно показано нижче). Концепція базується на ідеї, що блокчейн не може одночасно досягти всіх трьох основних якостей, які повинна прагнути мати будь-яка мережа блокчейну (масштабованість, безпека та децентралізація).

Трилема блокчейну (Джерело: SEBA Research)

Це стає зрозумілим, коли ми думаємо про вищезгадане збільшення вимог до обладнання. Щоб збільшити пропускну здатність, ланцюжок Alt-L1 має використовувати більш централізовану мережеву структуру, де користувачі повинні довіряти меншій кількості валідаторів із високотехнічними машинами. Це жертвує двома ланками трилеми блокчейну, децентралізацією та безпекою, заради масштабованості. Крім того, з потребою в більш потужному апаратному забезпеченні, робота вузла також стає дорожчою (не тільки саме обладнання, але також пропускна здатність і сховище). Це різко погіршує децентралізацію мережі, оскільки бар’єр входу для запуску вузла різко зростає, тому менше людей можуть брати участь у перевірці мережі.

Оскільки децентралізація та інклюзивність є двома основними цінностями спільноти Ethereum, не дивно, що запуск ланцюжка з невеликим набором вузлів з високими специфікаціями не був підходящим шляхом. Віталік Бутерін навіть стверджував, що для децентралізації блокчейну «важливо, щоб звичайні користувачі могли запускати ноду». Таким чином, інші підходи до масштабування набули популярності.

Шардинг однорідного виконання

Спільнота Ethereum експериментувала з бічними ланцюгами, плазмою та каналами стану, щоб вирішити проблему масштабованості, усі вони мають певні недоліки, що роблять їх неоптимальними рішеннями. Підхід до масштабування, який обрали багато альтернативних блокчейнів L1, називається однорідним сегментуванням виконання. Протягом деякого часу це також здавалося найбільш перспективним рішенням для Ethereum (у контексті старої дорожньої карти ETH 2.0).

Однорідне сегментування виконання — це підхід до масштабування, який прагне збільшити пропускну здатність і пропускну здатність мережі блокчейну шляхом розподілу робочого навантаження з обробки транзакцій між декількома меншими одиницями (піднаборами валідаторів), які називаються сегментами. Кожен шард працює незалежно й одночасно, обробляючи власний набір транзакцій і підтримуючи окремий стан. Мета полягає в тому, щоб забезпечити паралельне виконання транзакцій, таким чином підвищивши загальну пропускну здатність і швидкість мережі. Harmony та Ethereum 2.0 (тільки стара дорожня карта!) є двома прикладами ініціатив масштабування, які прийняли або принаймні розглядали гомогенне сегментування виконання як частину своєї стратегії масштабування.

Спрощена візуалізація шардингу виконання

Harmony — це альтернативна блокчейн-платформа L1, яка має на меті забезпечити масштабовану, безпечну та енергоефективну інфраструктуру для децентралізованих програм (dApps). Він використовує підхід на основі шардингу, у якому мережа розділена на кілька сегментів, кожен із власним набором валідаторів, які відповідають за обробку транзакцій і підтримку локального стану. Валідатори випадковим чином призначаються шардам, забезпечуючи справедливий і збалансований розподіл ресурсів.

Міжшардовий зв’язок полегшується за допомогою механізму під назвою «квитанції», який дозволяє шардам надсилати інформацію про зміни стану в результаті транзакції до інших шардів. Це забезпечує безперебійну взаємодію між dApps і смарт-контрактами, розташованими на різних сегментах, без шкоди для безпеки та цілісності мережі.

Ethereum 2.0 — це поточне оновлення мережі Ethereum, спрямоване на вирішення проблем масштабованості, безпеки та стабільності, з якими стикається оригінальна версія Ethereum на основі Proof-of-Work (PoW). У старій дорожній карті Ethereum 2.0 пропонувалося багатоетапне розгортання, перехід мережі на механізм консенсусу Proof-of-Stake (PoS) (що ми нарешті побачили минулої осені) і запровадження шардингу виконання для покращення масштабованості. Згідно з цим початковим планом, Ethereum 2.0 мав складатися з Beacon Chain і 64 сегментів. Beacon Chain був розроблений для керування протоколом PoS, реєстрацією валідатора та міжшардовими зв’язками.

З іншого боку, ланцюги сегментів мали бути окремими ланцюжками, відповідальними за обробку транзакцій і паралельну підтримку окремих станів. Валідатори мали б бути призначені для шарду, періодично змінюючись для підтримки безпеки та децентралізації мережі. Beacon Chain відстежував би призначення валідаторів і керував процесом завершення обробки даних шард-ланцюга. Планувалося, що зв’язок між шардами буде полегшений за допомогою механізму під назвою «перехресні зв’язки», який періодично об’єднуватиме дані ланцюжка сегментів у Beacon Chain, дозволяючи змінам стану поширюватися мережею.

Але хоча однорідне шардування виконання обіцяє велику масштабованість, це відбувається за рахунок компромісів у безпеці, оскільки валідатор розбивається на менші підмножини, і, отже, децентралізація мережі порушується. Крім того, знижується вартість, яка забезпечує криптоекономічну безпеку шардів.

Однак з того часу дорожня карта Ethereum 2.0 розвинулася, і сегментування виконання було замінено підходом, званим шардингом даних, який має на меті забезпечити масштабовану основу для більш складної технології масштабування, відомої як зведення (докладніше про це незабаром!).

Шардинг гетерогенного виконання

Гетерогенне сегментування виконання — це підхід до масштабування, який об’єднує кілька незалежних блокчейнів із різними механізмами консенсусу, моделями стану та функціональними можливостями в єдину сумісну мережу. Цей підхід дозволяє кожному підключеному блокчейну зберігати свої унікальні характеристики, водночас отримувати переваги від безпеки та масштабованості всієї екосистеми. Двома яскравими прикладами проектів, у яких використовується гетерогенне сегментування виконання, є Polkadot і Cosmos.

Polkadot — це децентралізована платформа, розроблена для забезпечення міжланцюгового зв’язку та взаємодії між кількома блокчейнами. Його архітектура складається з центрального релейного ланцюга, кількох парачейнів і мостів.

Спрощена візуалізація архітектури мережі Polkadot (Джерело: Polkadot Docs)

Ланцюг ретрансляції: головний ланцюг в екосистемі Polkadot, відповідальний за забезпечення безпеки, консенсусу та перехресного зв’язку. Валідатори в Relay Chain відповідають за перевірку транзакцій і створення нових блоків.

Parachains: незалежні блокчейни, які підключаються до Relay Chain, щоб отримати вигоду від його спільної безпеки та механізмів консенсусу, а також забезпечити взаємодію з іншими ланцюгами в мережі. Кожен парачейн може мати власну модель стану, механізм консенсусу та спеціалізовані функції, адаптовані до конкретних випадків використання.

Мости: компоненти, які з’єднують Polkadot із зовнішніми блокчейнами (наприклад, Ethereum) і забезпечують зв’язок і передачу активів між цими мережами та екосистемою Polkadot.

Polkadot використовує гібридний консенсусний механізм під назвою Nominated Proof-of-Stake (NPoS) для захисту своєї мережі. Валідатори в Relay Chain призначаються спільнотою для перевірки транзакцій і створення блоків. І навпаки, парачейни можуть використовувати різні механізми консенсусу залежно від своїх вимог. Важливою особливістю мережевої архітектури Polkadot є те, що за задумом усі Parachains спільно використовують безпеку з ланцюгом ретрансляції, отже успадковуючи гарантії безпеки ланцюга ретрансляції.

Cosmos — це ще одна децентралізована платформа, яка має на меті створити «Інтернет блокчейнів», сприяючи безперебійному спілкуванню та взаємодії між різними мережами блокчейнів. Його архітектура схожа на архітектуру Polkadot, яка складається з центрального центру, кількох зон і мостів.

Спрощена візуалізація мережевої архітектури Cosmos (Джерело: Cosmos Docs)

Хаб: центральний блокчейн в екосистемі Cosmos, який забезпечує міжланцюговий зв’язок і незабаром міжланцюгову безпеку (спільна безпека, подібна до Polkadot). Cosmos Hub використовує консенсусний механізм Proof-of-Stake (PoS) під назвою Tendermint, який забезпечує швидке завершення та високу пропускну здатність. Теоретично концентраторів може бути декілька. Проте з появою ATOM 2.0 і безпеки між ланцюжками Cosmos Hub, ймовірно, залишиться центром «Інтернету блокчейнів» із підтримкою Cosmos.

Зони: незалежні блокчейни, підключені до хабу, кожна з яких має власний механізм консенсусу, модель стану, функціональні можливості та набір валідаторів (як правило). Зони можуть спілкуватися одна з одною через хаб за допомогою стандартизованого протоколу під назвою Inter-Blockchain Communication (IBC).

Мости: компоненти, які з’єднують екосистему Cosmos із зовнішніми блокчейнами, що дозволяє передавати активи та спілкуватися між Cosmos Zones та іншими мережами.

І Polkadot, і Cosmos є прикладами неоднорідного шардингу виконання, оскільки вони об’єднують кілька незалежних блокчейнів із різноманітною функціональністю, механізмами консенсусу та моделями стану в єдину сумісну екосистему. Такий підхід дозволяє кожному підключеному ланцюжку зберігати свої унікальні характеристики, одночасно забезпечуючи масштабованість шляхом відокремлення рівнів виконання конкретного додатка один від одного, водночас зберігаючи переваги перехресного зв’язку та можливостей безпеки всієї мережі.

Основна відмінність між підходом Cosmos і Polkadot полягає в моделі безпеки. У той час як Cosmos обирає підхід, згідно з яким ланцюжки, що стосуються певних програм (гетерогенні шарди), мають розвиватися та підтримувати власні набори валідаторів, Polkadot обирає спільну модель безпеки. За цією спільною моделлю безпеки ланцюжки додатків успадковують безпеку від ланцюга ретрансляції, який стоїть у центрі екосистеми. Останнє набагато ближче до підходу до масштабування на основі зведення, який Ethereum хоче застосувати для забезпечення масштабування.

Використовуйте нашу реферальну систему, щоб поширити інформацію про Хроніку!

Масштабування Ethereum за допомогою Rollups

Дорожня карта Ethereum, орієнтована на зведення, — це не зовсім нове явище, але воно прискорилося в поглинанні та прийнятті. Віталік вперше написав про цей поворот дорожньої карти ще в жовтні 2020 року.

Зведення виводить сегментування в рамках спільної парадигми безпеки на новий рівень. Це рішення для масштабування, у якому транзакції обробляються поза ланцюгом у середовищі виконання зведення та, як випливає з назви, згортаються в пакети. Секвенсори збирають транзакції від користувачів і надсилають пакети транзакцій до смарт-контракту на Ethereum L1, який забезпечує правильне виконання транзакцій на L2. Згодом дані про транзакції зберігаються на рівні L1, що дає змогу зведенням успадковувати безпеку перевіреного в боях базового рівня Ethereum.

Тож тепер те, що по суті було шардами в старій дорожній карті Ethereum 2.0, повністю відокремлено від базового рівня, і розробники мають широкий простір для налаштування свого рівня L2 на свій розсуд (подібно до парачейнів Polkadot або зон Cosmos). Однак завдяки врегулюванню та DA на Ethereum зведені все ще можуть покладатися на гарантії безпеки L1. Ще одна ключова перевага порівняно з бічними ланцюгами (наприклад, Polygon) полягає в тому, що для зведень не потрібен набір валідаторів і власний механізм консенсусу.

Зведеній системі потрібен лише набір секвенсорів (збирання та впорядкування транзакцій), причому лише один секвенсор повинен працювати в будь-який момент часу. За слабких припущень, подібних до цього, зведення може працювати на невеликому наборі високоякісних машин серверного класу або навіть на одному секвенсорі, що забезпечує високу масштабованість. Однак, оскільки це пов’язано з децентралізацією, більшість зведених систем намагаються розробити свої системи якомога більш децентралізованими (що включає секвенсор). Хоча для зведень явно не потрібні механізми консенсусу (оскільки остаточність походить від консенсусу L1), зведення можуть мати механізми координації з графіками ротації для чергування секвенсорів або навіть повноцінні механізми PoS, у яких набір секвенсорів досягає консенсусу щодо пакетування/впорядкування транзакцій. Ці підходи можуть підвищити безпеку та покращити децентралізацію.

Загалом існує два типи зведених систем…

Оптимістичні зведені пакети

Те, що називають оптимістичними зведеннями, характеризується наявністю вузла секвенсора, який збирає дані транзакцій на L2, а потім надсилає ці дані на базовий рівень Ethereum разом із новим коренем стану L2. Щоб переконатися, що новий кореневий стан, надісланий до Ethereum L1, є правильним, верифікаційні вузли порівнюють свій новий кореневий стан із коренем, надісланим секвенсором. Якщо є розбіжності, вони розпочнуть так званий процес доказу шахрайства. Якщо корінь стану доказу шахрайства відрізняється від того, який надав секвенсер, початковий депозит секвенсора (він же облігація) буде скорочено. Коріння стану від цієї транзакції буде стерто, і секвенсору доведеться повторно обчислити втрачені корені стану.

Механізм зведення (Джерело: Panther Academy)

Зведені версії (без знань).

З іншого боку, зведення валідності покладається на докази дійсності у формі доказів нульового знання (наприклад, SNARK або STARK) замість механізмів доказування шахрайства. Подібно до оптимістичних зведених систем, секвенсор збирає транзакції від користувачів і відповідає за подання (і іноді також генерацію) підтвердження нульового знання в L1 разом із відповідними даними транзакції. Ставка секвенсера може бути зменшена, якщо він буде діяти зловмисно, що спонукатиме його публікувати дійсні блоки (або докази пакетів). Зведені перевірки вводять нову роль у систему, яка не потрібна в оптимістичній установці. Підтверджувач — це актор, який генерує непідробні zk-докази виконання транзакцій, доводячи, що запропоновані переходи стану дійсні.

Згодом секвенсор надсилає ці докази до контракту верифікатора в основній мережі Ethereum. Технічно обов’язки секвенсорів і перевірників можна об’єднати в одну роль. Однак, оскільки генерація доказів і впорядкування транзакцій вимагають високоспеціалізованих навичок для ефективної роботи, розподіл цих обов’язків запобігає непотрібній централізації в дизайні зведення. Підтвердження з нульовим знанням, яке секвенсор надсилає в L1, повідомляє лише про зміни в стані L2 і надає ці дані смарт-контракту верифікатора в основній мережі Ethereum у формі хешу, який можна перевірити.

Спрощена візуалізація zk-rollup (Джерело: Chainlink)

Визначити, який підхід є кращим, є складним завданням. Однак давайте коротко дослідимо деякі ключові відмінності. По-перше, оскільки докази дійсності можна підтвердити математично, мережа Ethereum може надійно перевірити законність пакетних транзакцій. Це відрізняється від оптимістичного зведення, де Ethereum покладається на верифікаційні вузли для перевірки транзакцій і виконання доказів шахрайства, якщо це необхідно. Отже, дехто може стверджувати, що зведення zk більш безпечне. Крім того, підтвердження дійсності (з нульовим знанням) дозволяють миттєво підтверджувати зведені транзакції в основному ланцюжку.

Отже, користувачі можуть легко переказувати кошти між зведеним пакетом і базовим блокчейном (а також іншими zk-зведеними пакетами) без проблем і затримок. Навпаки, оптимістичні зведені пакети (наприклад, Optimism і Arbitrum) передбачають період очікування, перш ніж користувачі зможуть вивести кошти на L1 (7 днів у випадку Optimism & Arbitrum), оскільки верифікатори повинні мати можливість перевірити транзакції та розпочати підтвердження шахрайства. механізм, якщо це необхідно. Це обмежує ефективність зведень і знижує цінність для користувачів. Хоча існують способи ввімкнути швидке зняття коштів, зазвичай це не є рідною функцією.

Однак створення доказів дійсності є дорогим у обчислювальному плані та часто дорогим для перевірки в ланцюжку (залежно від розміру доказу). Абстрагуючи створення та перевірку доказів, оптимістичні зведення отримують перевагу над зведеннями валідності з точки зору вартості.

Як оптимістичний, так і валідний зведення відіграють ключову роль у контексті дорожньої карти Ethereum, орієнтованої на зведення. Перетворення базового рівня Ethereum на основний рівень доступності даних/розрахунків для майже нескінченної кількості високомасштабованих рівнів виконання на основі зведення дозволить загальній мережі Ethereum та її екосистемам зведення досягти величезного масштабу.

Висновок

Як ми бачили, створення децентралізованих програм, які є суверенними та не обмеженими обмеженнями базових рівнів, є складним завданням. Це вимагає координації сотень операторів вузлів, що є складним і дорогим. Крім того, важко масштабувати монолітні блокчейни без значних компромісів щодо безпеки та/або децентралізації.

Хоча фреймворки, такі як Cosmos SDK і Polkadot's Substrate, спрощують абстрагування певних компонентів програмного забезпечення, вони не дозволяють плавно переходити від коду до фактичної фізичної мережі обладнання p2p. Крім того, різнорідні підходи до шардингу можуть фрагментувати безпеку екосистеми, що може спричинити додаткові тертя та ризики.

Rollups, рішення для масштабування наступного покоління, пропонує дивовижну можливість не тільки усунути труднощі координації сотень або навіть тисяч осіб для керування децентралізованою мережею, але також є основним кроком до значного скорочення витрат і часу, необхідних розробникам для втілювати свої ідеї та концепції в реальність.

Концепція модульних ланцюгів ще більше спрощує це. Модульний дизайн блокчейну — це широкий підхід, який розділяє основні функції блокчейну на окремі взаємозамінні компоненти. У межах цих функціональних областей з’являються спеціалізовані постачальники, які спільно сприяють створенню масштабованих і безпечних рівнів виконання зведених даних, широкої гнучкості дизайну додатків і покращеної адаптованості до нових технологічних вимог.

Незважаючи на це, масштабування на основі зведення все ще є технологією, що тільки зароджується. Отже, ще є деякі перешкоди, які потрібно подолати. Основним вузьким місцем масштабованості для зведених (на основі Ethereum) наразі є обмежена доступність даних (DA). Однак інновація, що ґрунтується на модульній тезі, має певні підходи для вирішення цієї проблеми. Щоб дізнатися більше про проблему DA та потенційні рішення, слідкуйте за нашим докладним звітом, який буде опубліковано наступного тижня, коли ми продовжимо цю серію!

Відмова від відповідальності:

1. Ця стаття передрукована з [castle capital]. Усі авторські права належать оригінальному автору [ zerokn0wledge]. Якщо є заперечення щодо цього передруку, будь ласка, зв’яжіться з командою Gate Learn , і вони негайно розглянуть це.
2. Відмова від відповідальності: погляди та думки, висловлені в цій статті, належать виключно автору та не є жодною інвестиційною порадою.
3. Переклади статті на інші мови виконує команда Gate Learn. Якщо не зазначено вище, копіювання, розповсюдження або плагіат перекладених статей заборонено.