Модульный тезис: Масштабирование Web3 с помощью сворачивания

Модульный тезис предполагает, что мы коллективно изменим то, как мы создаем и используем блокчейн. Более того, модульная конструкция обеспечивает масштабируемый & безопасный уровень исполнения, поскольку мы переходим к ажиотажу и повышенной активности во время бега быков!

Так что же такое модульная архитектура блокчейна?

В монолитных сетях (напр. Ethereum и Solana), исполнение, расчеты & консенсус/доступность данных (DA) - все это объединено в один уровень:

• Доступность данных: Концепция, согласно которой любые данные, опубликованные в сети, доступны и извлекаемы всеми участниками сети (по крайней мере, в течение определенного времени).
• Исполнение: Определяет, как узлы блокчейна обрабатывают транзакции, переводя их из одного состояния в другое.
• Расчеты: Окончательность (вероятностная или детерминированная) - это гарантия того, что транзакция, зафиксированная в цепочке, необратима. Это происходит только тогда, когда цепочка убеждается в валидности транзакции. Таким образом, расчеты означают подтверждение транзакций, проверку доказательств & и арбитраж споров.
• Консенсус: Механизм, с помощью которого узлы договариваются о том, какие данные в блокчейне могут быть проверены как истинные & точные.

Монолитная архитектура блокчейна (Источник: Celestia)

Хотя монолитный подход к проектированию имеет некоторые преимущества (например. уменьшенная сложность & улучшенная композитность), он не обязательно хорошо масштабируется. Именно поэтому модульные конструкции разделяют эти функции, располагая их на отдельных, специализированных уровнях.

Следовательно, пространство модульного дизайна состоит из:

• Уровни исполнения (роллапы)
• Расчетные слои (например. Ethereum)
• Уровень консенсуса/DA (напр. Селестия)

Модульная архитектура блокчейна (Источник: Celestia)

В более широком смысле, модульный ландшафт также включает в себя:

• Решения для секвенирования,
• Доказательство решений,
• Решения по совместимости,
• Проекты, ориентированные на абстракцию потока заказов
• Различные поставщики инфраструктуры (фреймворки rollup, решения rollup-as-a-service & другие инструменты).

В этой краткой вводной части мы сосредоточимся на том, как мы пришли к основанной на рулонах (a.k.a. модульные) решения для масштабирования, прежде чем мы глубоко погрузимся в нюансы модульных блокчейн-систем в ближайшие недели в этой новой серии.

Призыв к оружию

Думаете, у Вас есть все необходимое для того, чтобы попасть в Замок и внести свой вклад в исследования, общественные инициативы, анализ должной осмотрительности и консультирование/обслуживание проектов в этом пространстве? А может быть, Вы хотите повысить квалификацию и стать "тенью" для членов сообщества, которые уже прошли успешный путь в качестве стажера?

Заполните форму заявки!

История масштабирования

Масштабирование пропускной способности блокчейн было основным направлением исследований и разработок в этой области с момента ее появления. Бесспорно, чтобы достичь настоящего "массового принятия", блокчейн должен быть способен масштабироваться. Проще говоря, масштабируемость - это способность сети обрабатывать большое количество транзакций быстро и по низкой цене. Это означает, что по мере появления новых сценариев использования и ускорения внедрения сети, производительность блокчейна не страдает. Исходя из этого определения, Ethereum не обладает масштабируемостью.

С ростом использования сети цены на газ в Ethereum взлетели до непозволительно высокого уровня, что в конечном итоге полностью лишило многих мелких пользователей возможности взаимодействовать с децентрализованными приложениями. В качестве примера можно привести монетный двор BAYC (что привело к резкому росту платы за газ до 8000 гвейн) или падение NFT в артблоках (что привело к резкому росту платы за газ до более чем 1000 гвейн) - для сравнения, на момент написания статьи цена газа составляет 6 гвейн. Подобные случаи привели к появлению альтернативных, более "масштабируемых" блокчейнов L1 (т.е. Solana) есть шанс отвоевать долю рынка у Ethereum. Однако это также подстегнуло инновации в области увеличения пропускной способности сети Ethereum.

Однако подходы к масштабированию, которые применяют эти Alt-L1, часто обходятся ценой децентрализации и безопасности. Сети Alt-L1, такие как Solana, например, решили использовать меньший набор валидаторов и повысили требования к аппаратному обеспечению валидаторов. Хотя это улучшает способность сети проверять цепочку и удерживать ее состояние, это уменьшает количество людей, которые могут проверить цепочку самостоятельно, и увеличивает барьеры для участия в сети. Это противоречие также называют трилеммой блокчейна (визуализировано ниже). В основе концепции лежит идея о том, что блокчейн не может достичь всех трех основных качеств, к которым должна стремиться любая сеть блокчейн (масштабируемость, безопасность & децентрализация) одновременно.

Трилемма блокчейна (Источник: SEBA Research)

Это становится понятным, когда мы задумываемся о вышеупомянутом увеличении требований к аппаратному обеспечению. Чтобы увеличить пропускную способность, сеть Alt-L1 должна использовать более централизованную структуру сети, где пользователи должны доверять меньшему числу валидаторов с высокотехнологичными машинами. Это жертвует двумя сторонами трилеммы блокчейна - децентрализацией & безопасностью - ради масштабируемости. Кроме того, с потребностью в более мощном оборудовании, эксплуатация узла также становится более дорогой (не только само оборудование, но и пропускная способность & хранилища). Это значительно ухудшает децентрализацию сети, поскольку барьер для запуска узла резко возрастает, и, таким образом, меньше людей могут участвовать в проверке сети.

Поскольку децентрализация и инклюзивность - две основные ценности сообщества Ethereum, неудивительно, что управление цепочкой с помощью небольшого набора высокотехнологичных узлов оказалось неподходящим вариантом развития событий. Виталик Бутерин даже утверждал, что для децентрализации блокчейна "крайне важно, чтобы обычные пользователи могли управлять узлом". Поэтому другие подходы к масштабированию набирают обороты.

Однородное выполнение Sharding

Сообщество Ethereum экспериментировало с боковыми цепочками, плазмой и каналами состояния для решения проблемы масштабируемости, и все они имеют определенные недостатки, которые делают их неоптимальными решениями. Подход к масштабированию, который выбрали многие альтернативные блокчейны L1, - это так называемый шардинг однородного исполнения. В течение некоторого времени это также казалось наиболее перспективным решением для Ethereum (в контексте старой дорожной карты ETH 2.0).

Шардинг однородного исполнения - это подход к масштабированию, который направлен на увеличение пропускной способности и мощности сети блокчейн путем разделения рабочей нагрузки по обработке транзакций между несколькими, более мелкими единицами (поднаборами валидаторов), называемыми шардами. Каждый шард работает независимо и параллельно, обрабатывая свой собственный набор транзакций и поддерживая отдельное состояние. Цель состоит в том, чтобы обеспечить параллельное выполнение транзакций, тем самым увеличивая общую пропускную способность и скорость сети. Harmony и Ethereum 2.0 (только старый роадмап!) - это два примера инициатив по масштабированию, которые приняли или, по крайней мере, рассматривали шардинг однородного исполнения как часть своей стратегии масштабирования.

Упрощенная визуализация шардинга исполнения

Harmony - это альтернативная блокчейн-платформа L1, которая призвана обеспечить масштабируемую, безопасную и энергоэффективную инфраструктуру для децентрализованных приложений (dApps). В нем используется подход, основанный на шардинге, при котором сеть делится на несколько шардов, каждый из которых имеет свой собственный набор валидаторов, отвечающих за обработку транзакций и поддержание локального состояния. Валидаторы случайным образом распределяются по шардам, обеспечивая справедливое и сбалансированное распределение ресурсов.

Межшардовая коммуникация осуществляется с помощью механизма под названием "квитанции", который позволяет шардам отправлять информацию об изменениях состояния в результате транзакции другим шардам. Это обеспечивает бесшовное взаимодействие между dApps и смарт-контрактами, расположенными на разных шардах, без ущерба для безопасности и целостности сети.

Ethereum 2.0 - это постоянное обновление сети Ethereum, направленное на решение проблем масштабируемости, безопасности и устойчивости, с которыми столкнулась первоначальная версия Ethereum, основанная на принципе Proof-of-Work (PoW). Старая дорожная карта Ethereum 2.0 предполагала многоэтапное развертывание, переход сети на механизм консенсуса Proof-of-Stake (PoS) (что мы, наконец, увидели прошлой осенью) и внедрение шардинга исполнения для улучшения масштабируемости. Согласно этому первоначальному плану, Ethereum 2.0 должен был состоять из Beacon Chain и 64 цепочек шардов. Цепочка маячков была разработана для управления протоколом PoS, регистрации валидаторов и межплатформенной связи.

Цепочки шардов, с другой стороны, должны были быть отдельными цепочками, отвечающими за обработку транзакций и поддержание отдельных состояний параллельно. Валидаторы должны были быть назначены на шард, периодически сменяя друг друга для поддержания безопасности и децентрализации сети. Цепочка Beacon Chain должна была отслеживать назначения валидаторов и управлять процессом окончательной обработки данных цепочки шардов. Планировалось, что межшардовая связь будет осуществляться с помощью механизма, называемого "перекрестными связями", который будет периодически связывать данные цепочки шардов в цепочку Beacon Chain, позволяя распространять изменения состояния по всей сети.

Но хотя однородное разделение выполнения обещает отличную масштабируемость, это происходит за счет компромиссов в области безопасности, поскольку валидатор разбивается на более мелкие подмножества, а значит, децентрализация сети нарушается. Кроме того, уменьшается стоимость, которая обеспечивает криптоэкономическую безопасность на шардах.

Однако с тех пор дорожная карта Ethereum 2.0 претерпела изменения, и шардинг выполнения был заменен подходом, называемым шардингом данных, который призван обеспечить масштабируемую основу для более сложной технологии масштабирования, известной как роллапы (подробнее об этом в ближайшее время!).

Гетерогенное выполнение (Sharding)

Шардинг гетерогенного исполнения - это подход к масштабированию, который объединяет несколько независимых блокчейнов с различными механизмами консенсуса, моделями состояния и функциональностью в единую, совместимую сеть. Такой подход позволяет каждому подключенному блокчейну сохранять свои уникальные характеристики, получая при этом преимущества от безопасности и масштабируемости всей экосистемы. Двумя яркими примерами проектов, использующих гетерогенное чередование выполнения, являются Polkadot и Cosmos.

Polkadot - это децентрализованная платформа, разработанная для обеспечения межцепочечной связи и взаимодействия между несколькими блокчейнами. Его архитектура состоит из центральной релейной цепи, множества парасейнов и мостов.

Упрощенная визуализация сетевой архитектуры Polkadot (Источник: Polkadot Docs)

Релейная цепочка: Главная цепочка в экосистеме Polkadot, отвечающая за обеспечение безопасности, консенсуса и межцепочечной коммуникации. Валидаторы в релейной цепи отвечают за проверку транзакций и создание новых блоков.

Парачейны: Независимые блокчейны, которые подключаются к эстафетной цепочке, чтобы воспользоваться преимуществами ее общих механизмов безопасности и консенсуса, а также обеспечить взаимодействие с другими цепочками в сети. Каждый парасейн может иметь свою собственную модель состояния, механизм консенсуса и специализированную функциональность, предназначенную для конкретных случаев использования.

Мосты: Компоненты, которые связывают Polkadot с внешними блокчейнами (например, Ethereum) и обеспечивают связь и передачу активов между этими сетями и экосистемой Polkadot.

Polkadot использует гибридный механизм консенсуса под названием Nominated Proof-of-Stake (NPoS) для обеспечения безопасности своей сети. Валидаторы в Relay Chain назначаются сообществом для подтверждения транзакций и создания блоков. И наоборот, парасейны могут использовать различные механизмы консенсуса, в зависимости от своих требований. Важной особенностью сетевой архитектуры Polkadot является то, что по замыслу все парасейны разделяют безопасность с ретрансляционной цепочкой, а значит, наследуют гарантии безопасности ретрансляционной цепочки.

Cosmos - это еще одна децентрализованная платформа, цель которой - создать "Интернет блокчейн", облегчающий бесперебойную связь и взаимодействие между различными блокчейн-сетями. Его архитектура похожа на архитектуру Polkadot: он состоит из центрального узла, множества зон и мостов.

Упрощенная визуализация сетевой архитектуры Космоса (Источник: Cosmos Docs)

Хаб (Hub): Центральный блокчейн в экосистеме Cosmos, который обеспечивает межцепочечную связь и вскоре межцепочечную безопасность (общая безопасность, подобная Polkadot). Cosmos Hub использует механизм консенсуса Proof-of-Stake (PoS) под названием Tendermint, который обеспечивает быстрое завершение и высокую пропускную способность. Теоретически, может существовать несколько концентраторов. Тем не менее, с появлением ATOM 2.0 и межцепочечной безопасности, Cosmos Hub, вероятно, останется центром "Интернета блокчейн" с поддержкой Cosmos.

Зоны: Независимые блокчейны, подключенные к хабу, каждая из которых имеет свой собственный механизм консенсуса, модель состояния, функциональность и набор валидаторов (как правило). Зоны могут общаться друг с другом через концентратор, используя стандартизированный протокол под названием Inter-Blockchain Communication (IBC).

Мосты: Компоненты, которые связывают экосистему Cosmos с внешними блокчейнами, позволяя передавать активы и общаться между зонами Cosmos и другими сетями.

И Polkadot, и Cosmos являются примерами гетерогенного шардинга исполнения, поскольку они соединяют несколько независимых блокчейнов с различной функциональностью, механизмами консенсуса и моделями состояния в единую, совместимую экосистему. Такой подход позволяет каждой соединенной цепочке сохранять свои уникальные характеристики, обеспечивая масштабируемость за счет отделения уровней выполнения приложений друг от друга, но при этом пользуясь возможностями межцепочечной связи и безопасности всей сети.

Основное различие между подходами Cosmos и Polkadot заключается в модели безопасности. В то время как Cosmos использует подход, при котором цепочки приложений (гетерогенные шарды) должны создавать и поддерживать свои собственные наборы валидаторов, Polkadot выбирает общую модель безопасности. Согласно этой модели совместной безопасности, цепочки приложений наследуют безопасность от ретрансляционной цепочки, которая стоит в центре экосистемы. Последний вариант гораздо ближе к подходу масштабирования на основе рулонов, который Ethereum хочет использовать для обеспечения масштабирования.

Используйте нашу реферальную систему, чтобы распространить информацию о Хронике!

Масштабирование Ethereum с помощью роллапов

Дорожная карта Ethereum, ориентированная на роллы, - явление не совсем новое, но его распространение и принятие ускорилось. Впервые Виталик написал об этом повороте дорожной карты еще в октябре 2020 года.

Роллапы выводят шардинг в рамках парадигмы общей безопасности на новый уровень. Это решение для масштабирования, при котором транзакции обрабатываются вне цепочки в среде выполнения rollup и, как следует из названия, сворачиваются в пакеты. Секвенсоры собирают транзакции от пользователей и передают партии транзакций смарт-контракту на Ethereum L1, который следит за правильным выполнением транзакций на L2. Впоследствии данные о транзакциях хранятся на L1, что позволяет роллапам унаследовать безопасность проверенного в боях базового уровня Ethereum.

Итак, теперь то, что в старой дорожной карте Ethereum 2.0 было по сути шардами, полностью отделено от базового уровня, и у разработчиков появилось широкое пространство для настройки L2 по своему усмотрению (по аналогии с парашанами Polkadot или зонами Cosmos). Однако, благодаря расчетам и DA в Ethereum, ролловеры все еще могут полагаться на гарантии безопасности L1. Еще одно ключевое преимущество по сравнению с боковыми цепями (напр. Polygon) заключается в том, что роллапы не нуждаются в собственном наборе валидаторов и механизме консенсуса.

В рулонной системе должен быть только набор секвенсоров (собирающих и заказывающих транзакции), причем в любой момент времени должен работать только один секвенсор. При таких слабых предположениях роллапы могут работать на небольшом наборе высокотехнологичных машин серверного класса или даже на одном секвенсоре, обеспечивая отличную масштабируемость. Однако, поскольку это является компромиссом с децентрализацией, большинство роллапов стараются разрабатывать свои системы как можно более децентрализованными (что включает и секвенсор). Хотя роллапы не нуждаются в механизмах консенсуса (поскольку окончательный результат достигается за счет консенсуса L1), в роллапах могут быть механизмы координации с графиками ротации секвенсоров или даже полноценные механизмы PoS, в которых набор секвенсоров достигает консенсуса по пакету/заказу транзакций. Эти подходы могут повысить безопасность & улучшить децентрализацию.

Как правило, существует два типа рулонных систем...

Оптимистичные роллы

Так называемые оптимистичные сворачивания характеризуются наличием узла-секвенсора, который собирает данные о транзакциях на L2, а затем отправляет эти данные на базовый уровень Ethereum вместе с новым корнем состояния L2. Чтобы убедиться, что новый корень состояния, переданный в Ethereum L1, является правильным, узлы-верификаторы сравнивают свой новый корень состояния с тем, который был передан секвенсором. Если разница есть, они начнут так называемый процесс доказательства мошенничества. Если корень состояния доказательства мошенничества отличается от корня состояния, представленного секвенсором, то начальный депозит секвенсора (a.k.a. облигации) будет сокращена. Корни состояний, начиная с этой транзакции, будут стерты, и секвенсору придется заново вычислять потерянные корни состояний.

Механизм сворачивания (Источник: Panther Academy)

Валидность (нулевые знания) Свертки

С другой стороны, свертывание достоверности опирается на доказательства достоверности в форме доказательств с нулевым знанием (например. SNARKs или STARKs) вместо механизмов доказательства мошенничества. Подобно оптимистичным системам сворачивания, секвенсор собирает транзакции от пользователей и отвечает за отправку (а иногда и за генерацию) доказательства нулевого знания в L1 вместе с соответствующими данными транзакций. Доля секвенсора может быть уменьшена, если он действует недобросовестно, что побуждает его размещать достоверные блоки (или доказательства партий). Свертывание валидности вводит в систему новую роль, которая не нужна в оптимистичной настройке. Доказатель - это агент, который генерирует непротиворечивые zk-доказательства выполнения транзакций, доказывая, что предложенные переходы состояний действительны.

Впоследствии секвенсор отправляет эти доказательства контракту-верификатору в сети Ethereum. Технически, обязанности секвенсоров и проверяющих могут быть объединены в одну роль. Однако, поскольку генерация доказательств и упорядочивание транзакций требуют узкоспециализированных навыков, разделение этих обязанностей позволяет избежать излишней централизации при разработке рулонной системы. Доказательство нулевого знания, которое секвенсор отправляет в L1, сообщает только об изменениях в состоянии L2 и предоставляет эти данные смарт-контракту Verifier в сети Ethereum в виде верифицируемого хэша.

Упрощенная визуализация zk-роллапа (Источник: Chainlink)

Определить, какой подход лучше, - сложная задача. Однако давайте вкратце рассмотрим некоторые ключевые различия. Во-первых, поскольку доказательства действительности могут быть доказаны математически, сеть Ethereum может безбоязненно проверять легитимность пакетных транзакций. Это отличается от оптимистичного сворачивания, где Ethereum полагается на узлы-верификаторы, которые проверяют транзакции и при необходимости выполняют доказательства мошенничества. Поэтому некоторые могут утверждать, что zk-роллапы более безопасны. Более того, доказательства достоверности (те, что с нулевым знанием) позволяют мгновенно подтверждать транзакции с рулонами на основной цепи.

Следовательно, пользователи могут беспрепятственно переводить средства между роллапом и базовым блокчейном (а также другими zk-роллапами), не испытывая трения или задержек. В отличие от этого, оптимистичные ролловеры (такие как Optimism и Arbitrum) устанавливают период ожидания, прежде чем пользователи смогут вывести средства на L1 (7 дней в случае Optimism & Arbitrum), поскольку верификаторы должны иметь возможность проверить транзакции и при необходимости запустить механизм доказательства мошенничества. Это ограничивает эффективность сворачивания и снижает ценность для пользователей. Несмотря на то, что существуют способы быстрого снятия средств, это, как правило, не является штатной функцией.

Однако доказательства достоверности требуют больших вычислительных затрат при создании и зачастую дорогостоящей проверки на цепи (в зависимости от размера доказательства). Абстрагируясь от генерации и проверки доказательств, оптимистичные сворачивания получают преимущество перед сворачиваниями достоверности в плане стоимости.

Как оптимистичные, так и валидные сворачивания играют ключевую роль в контексте дорожной карты Ethereum, ориентированной на сворачивание. Превращение базового уровня Ethereum в основной уровень доступности/распределения данных для почти бесконечного числа высокомасштабируемых уровней выполнения, основанных на роллапах, позволит всей сети Ethereum и ее экосистемам роллапов достичь огромных масштабов.

Заключение

Как мы уже видели, создание децентрализованных приложений, которые являются суверенными & и не ограничены ограничениями базовых уровней, является сложной задачей. Это требует координации работы сотен операторов узлов, что одновременно и сложно, и & дорого. Более того, трудно масштабировать монолитные блокчейны, не идя на существенные компромиссы в области безопасности и/или децентрализации.

Хотя такие фреймворки, как Cosmos SDK и Polkadot's Substrate, облегчают абстрагирование определенных программных компонентов, они не позволяют осуществить плавный переход от кода к реальной физической сети p2p-оборудования. Кроме того, гетерогенные подходы к шардингу могут фрагментировать безопасность экосистемы, что может внести дополнительный риск трения &.

Rollups, решение следующего поколения для масштабирования, предлагает удивительную возможность не только устранить трудности, связанные с координацией сотен или даже тысяч людей для управления децентрализованной сетью, но и является важным шагом на пути к значительному сокращению затрат & времени, необходимого разработчикам для воплощения своих идей & концептов в реальность.

Концепция модульных цепочек еще больше упрощает эту задачу. Модульный дизайн блокчейна - это широкий подход, который разделяет основные функции блокчейна на отдельные, взаимозаменяемые компоненты. В рамках этих функциональных областей появляются специализированные поставщики, которые совместно способствуют созданию масштабируемых и безопасных уровней выполнения рулонов, широкой гибкости дизайна приложений и улучшенной адаптации к меняющимся технологическим требованиям.

Несмотря на это, масштабирование на основе рулонов все еще является новой технологией. Таким образом, все еще остаются некоторые препятствия, которые необходимо преодолеть. Основным узким местом для масштабирования (основанных на Ethereum) ролловеров в настоящее время является ограниченная доступность данных (DA). Тем не менее, в инновациях, которые были разработаны в рамках модульной диссертации, есть некоторые подходы для решения этой проблемы. Чтобы узнать больше о проблеме DA и возможных решениях, следите за нашим отчетом, который будет опубликован на следующей неделе в продолжение этой серии!

Отказ от ответственности：

1. Эта статья перепечатана из[castle capital]. Все авторские права принадлежат автору [ zerokn0wledge]. Если у Вас есть возражения против этой перепечатки, пожалуйста, свяжитесь с командой Gate Learn, и они незамедлительно рассмотрят их.
2. Предупреждение об ответственности: Мнения и взгляды, выраженные в этой статье, принадлежат исключительно автору и не являются инвестиционным советом.
3. Перевод статьи на другие языки осуществляется командой Gate Learn. Если не указано, копирование, распространение или плагиат переведенных статей запрещены.