Будущее Масштабирования Ethereum

В настоящее время Ethereum занимает второе место по рыночной капитализации. Помимо того, что он является предметом инвестиций, он также применяется в различных направлениях для расширения использования технологии блокчейн, в результате чего создается экосистема, в которой разрабатываются новые криптопроекты, которые способствуют развитию криптоиндустрии. Обладая большой ценностью и широким практическим применением, блокчейн Ethereum постоянно совершенствуется и претерпевает изменения, которые являются результатом глубокой информационной модернизации протоколов блокчейна, называемой масштабируемостью.

Эта статья расскажет вам об Ethereum и объяснит, что такое масштабируемость Ethereum и зачем она нужна. Вы также узнаете, какие решения используются в процессе масштабирования блокчейна Ethereum и как они работают. Кроме того, вы узнаете, почему дорожная карта Ethereum, ориентированная на объединение, — это будущее этого блокчейн-проекта.

Что такое масштабирование Ethereum и почему оно необходимо?

Масштабируемость — это программная способность блокчейна балансировать спрос и предложение, выражающаяся в возможности сети или базы данных повышать свою производительность в условиях перегрузки. Существует вертикальное (путем улучшения аппаратного обеспечения) и горизонтальное (путем распределения нагрузки равномерно по небольшим сегментам) масштабирование системы. Первый реализуется за счет увеличения мощности центральных узлов, а второй – программными методами.

После того как Ethereum  и другие криптовалюты,  перестали считаться маргинальным платежным инструментом и стал использоваться повсеместно, нагрузка на его блокчейн увеличилась в разы. В результате развитие протокола сдерживало множество негативных факторов: от огромных комиссий за транзакции до крайне плохой масштабируемости по сравнению с другими блокчейнами, использующими решения для масштабирования уровня 1.

За время своего существования концепция Ethereum уже претерпела шесть «жестких» обновлений, которые привели к значительным изменениям в ее блокчейне. Эти события называются хард-форками и представляют собой разветвленные сети, в которых всем пользователям приходится переходить на новую улучшенную версию программного обеспечения. Так происходило с каждым из заранее запланированных обновлений. Но были и незапланированные хардфорки Ethereum, которые проводились из-за хакерских атак. Список наиболее значимых обновлений сети приведен ниже:

Ice Age (Frontier thawing) – 8 сентября 2015 г.

Это внеплановый хардфорк, который был проведен для повышения безопасности и увеличения скорости обновлений блокчейна.

Homestead – 15 марта 2016 г.

Основной целью этого форка было устранение централизации. Транзакции с сетевой криптовалютой (ETH) стали доступны пользователям сети, которые также могли развертывать смарт-контракты. После этого Ethereum стал полноценным DeFi-проектом. Многие пользователи узнали о его родной монете и инвестировали в ETH; торговля эфиром начала набирать обороты в криптосообществе.

DAO – 20 июля 2016 г.

Хардфорк DAO возник в ответ на атаку DAO в 2016 году, когда в результате взлома небезопасного контракта DAO было украдено более 3,6 миллиона ETH. Форк переместил средства из неисправного контракта в новый контракт с единственной функцией: вывести средства.

EIP-150 (Tangerine Whistle) – 18 октября 2016 г.

Этот хардфорк изменил стоимость газа для транзакций. Это обновление было призвано помочь устранить возможности DDoS-атак, от которых на тот момент пострадала основная цепочка Ethereum, или, по крайней мере, сделать их намного более дорогостоящими для злоумышленников.

Metropolis (Constantinople & Byzantium) – 2017 — 2018 г.

Этот двухэтапный хардфорк экосистемы Ethereum, запланированный разработчиками, был направлен на подготовку сети к переходу на алгоритм майнинга Proof-of-Stake (PoS) и реализацию решений по масштабированию сети.  

Благодаря форку Constantinople Ethereum стал быстрее, эффективнее и удобнее. Смарт-контракты стало проще разрабатывать, а некоторые операции в коде Ethereum упростились.

Instanbul — 4 декабря 2019 г.

Это значительное обновление блокчейна включало 6 предложений по улучшению Ethereum, включая повышение масштабируемости криптовалюты, обеспечение совместимости с монетой Zcash, изменение цены газа для различных кодов транзакций и повышение устойчивости системы к DDoS-атакам.

Muir Glacier – 2 января 2020 г.

Форк Istanbul оказался не совсем успешным; к моменту обновления менее половины узлов установили необходимое программное обеспечение, время добычи блоков начало расти, а 2 января 2020 года сеть Ethereum провела очередной форк Muir Glacier, основной целью которого было сдержать «бомбу сложности» еще раз.

Beacon Chain – 1 декабря 2020 г.

Этап Beacon Chain включает в себя долгожданный запуск нового реестра Proof-of-Stake и дополнительные изменения, такие как сегментирование, межсегментная связь и переход от виртуальной машины Ethereum (EVM) к WebAssembly (eWASM). ).

Berlin – 15 апреля 2021 г.

Этот хардфорк, по сути, является вторым этапом форка Istanbul и подготовки к форку London и включает в себя такие улучшения, как снижение комиссий, использование различных типов транзакций, повышение пропускной способности транзакций и поддержку новых типов сделок.

London – 5 сентября 2021 г.

Это обновление включало пять изменений, самым спорным из которых является EIP-1559. Он изменил механизм расчета вознаграждения майнерам за добычу блока. Часть наград теперь предстояло сжечь. Этот метод используется для борьбы с инфляцией криптовалют. Хотя майнеры теперь будут получать меньше за добычу блоков, теоретически они должны выиграть от увеличения стоимости криптовалюты.

Merge (Bellatrix и Paris) – 15 сентября 2022 г.

Это обновление масштабирования Ethereum представляет собой формальный переход к консенсусному доказательству владения (proof-of-ownership). Это устраняет необходимость в энергоемком майнинге и защищает сеть. Такое обновление стало исторически важным шагом в реализации концепции большей масштабируемости, безопасности и устойчивости Ethereum.

Решения для масштабирования блокчейна Ethereum: типы и принцип работы

История эволюции второй по популярности криптовалюты на рынке — Ethereum — это длительный процесс изменения философии проекта и принципов его функционирования. Будучи сетью распределенного реестра, Ethereum представляет собой сложную систему алгоритмов, которая работает с использованием различных  решений для масштабирования. Давайте рассмотрим основные виды таких решений, чтобы лучше понять, о чем речь.

Масштабирование внутри цепочки/масштабирование уровня 1

Поскольку блокчейн представляет собой открытую сеть, каждый имеет право выступать в качестве узла для участия в учете. Формулирование набора правил, которые должны соблюдать все узлы, является очень важным вопросом для бесперебойной работы блокчейна. 

Решения уровня 1 — это стандартный базовый уровень консенсуса, на котором в настоящее время выполняются почти все транзакции сети Ethereum. Концепция слоев не является специфичной для Ethereum. Такая конструкция позволяет блокчейну поддерживать согласованность состояний «регистра» и «завершенности транзакции», так что узлы могут передавать данные в зашифрованном виде и достигать консенсуса в зашифрованном виде без централизованного контроля. В настоящее время шардинг является основным направлением этого метода масштабирования.

Шардинг

Шардинг – это метод масштабирования обработки данных. Его суть заключается в том, чтобы разделить базу данных на отдельные части и перенести каждую часть на отдельный сервер.

Идея шардинга заключается в разделении сети на несколько секций, которые могут работать частично независимо. Секция А работает с одной группой транзакций, а секция Б — с другой. Этот механизм удваивает количество транзакций, которые могут быть выполнены, учитывая, что лимит теперь определяется пропускной способностью двух узлов одновременно.

Разбивая блокчейн на разные секции, количество потенциально обрабатываемых транзакций можно линейно увеличить. Реализация решения по сегментированию работает на первом уровне сети. Следовательно, потребуется выполнить ветвление для обновления сетевого протокола и реализации этого решения для масштабируемости.

Масштабирование вне сети/масштабирование уровня 2

Решения уровня 2  — это инфраструктурные решения Eth2 в виде приложений и различного программного обеспечения, построенные на основе базовых блокчейнов. Они могут обрабатывать большие объемы транзакций и снижать нагрузку на базовую сеть. Сейчас существует несколько вариантов решений второго уровня: сайдчейны, каналы состояний, а также оптимистические и ZK-роллапы. Решения уровня 2 предназначены для обхода ограничений масштабируемости, изоляции и низкой гибкости для разработчиков.

Решения для масштабирования уровня 2 включают в себя целый список технологий, направленных на комплексное развитие блокчейна Ethereum. Давайте рассмотрим каждый из них более подробно.

Роллапы

Объединенные пакеты выполняют транзакции уровня 2 и отправляют данные в базовый блокчейн. Это означает, что они получают уровень безопасности от Ethereum, но могут выполнять транзакции за его пределами. Существует два типа роллапов. Первый — ZK (Zero Knowledge), который объединяет несколько переводов в одну транзакцию. Второй тип — оптимистичные накопительные пакеты, которые работают параллельно с Ethereum.

a) Роллапы Zero Knowledge

ZK-роллап (Zero-Knowledge) — это технологическое решение Ethereum для масштабирования блокчейна, которое использует протоколы доказательства концепции с нулевым разглашением для обеспечения конфиденциальности и безопасности транзакционных данных. При объединении ZK несколько транзакций сжимаются в один блок, который затем отправляется в основной блокчейн для проверки.

Протоколы доказательства с нулевым разглашением используются для доказательства действительности транзакции без необходимости раскрывать подробности самой транзакции. Это позволяет участникам сети проверять транзакцию, не обмениваясь никакой информацией, кроме подтверждения ее действительности. Это делает роллап ZK безопасным и конфиденциальным способом масштабирования блокчейна.

Доказательство с нулевым разглашением может быть двух типов – интерактивное и неинтерактивное, которые называются ZK-Stark и ZK-Snark и имеют свои особенности.

ZK-Stark

ZK-Stark, или аргумент масштабируемого прозрачного знания с нулевым раскрытием информации, по сути является «двоюродным братом» ZK-Snark, только лучше. ZK-Stark устраняет один из основных недостатков ZK-Snark: его зависимость от доверенной конфигурации. Для протокола ZK-Snark это обязательное условие, тогда как ZK-Stark не требует такой фазы. Вместо этого ZK-Stark полагается на более простые криптографические предположения.

ZK-Snark

Zk-Snark — более популярный из двух основных типов доказательств с нулевым разглашением. Сегодня несколько проектов в криптопространстве используют их для улучшения масштабируемости и конфиденциальности Ethereum. Этот аргумент знания быстро генерирует и проверяет zKp; протоколы повышения конфиденциальности широко используют их. С помощью Zk-Snark блокчейн с поддержкой конфиденциальности может скрывать транзакции от посторонних глаз, позволяя пользователям предоставлять доказательства с нулевым разглашением вместо обычных записей транзакций.

b) Optimistic Rollups

Основная идея защиты от мошенничества состоит в том, чтобы отправить минимум данных на уровень 1 и предположить (оптимистично), что это правда. Чтобы злоумышленники не рассылали спам в сети, отправители также должны внести депозит (обычно в ETH), который будет снят, если блокчейн обнаружит мошенничество. Один из основных проектов, работающих над optimistic-роллапами называется Optimism.

State Channels

State channel – это решение, которое позволяет пользователям создавать собственный канал вне блокчейна, где они могут проводить неограниченное количество частных транзакций. Блокчейн хранит только первую и последнюю транзакции. Первая транзакция открывает канал, где участники должны зафиксировать средства в контракте с несколькими подписями. Соединение закрывается второй транзакцией. Когда все транзакции между участниками завершены, в сети отправляется окончательная транзакция и средства разблокируются. Все транзакции в каналах видны только соответствующим пользователям. Блокчейн записывает только начальное и конечное состояния.

Сайдчейны

Сайдчейны работают отдельно от основного блокчейна и действуют независимо, используя собственный алгоритм консенсуса. Они подключаются к Ethereum через двусторонний мост (кроссчейн). Сайдчейны совместимы с виртуальной машиной Ethereum, но имеют ограничения: они менее децентрализованы, чем основная сеть. Кроме того, алгоритм консенсуса не управляется уровнем 1, и сторонние валидаторы могут координировать свои действия в преступных целях.

Plasma-чейн

Plasma — это решение для масштабирования второго уровня, первоначально предложенное Джозефом Пуном и Виталиком Бутериным. Это платформа для создания масштабируемых приложений на Ethereum. Plasma использует смарт-контракты и деревья Меркла для создания неограниченного количества дочерних цепочек — копий родительского цифрового реестра Ethereum.

Validium-чейн

Validium — это решение для масштабирования, которое использует доказательства достоверности, но обеспечивает доступность данных вне сети. Он ставит под угрозу безопасность Ethereum, но по-прежнему гораздо безопаснее, чем сайдчейн, поскольку переходы между состояниями проверяются с помощью STARK/SNARK. Validium похож на технологию объединения ZK в том, что он использует доказательства с нулевым раскрытием информации. Но данные хранятся в автономном режиме. Это обеспечивает до 10 000 транзакций в секунду без задержек при выводе средств и с меньшим риском атаки.

Дорожная карта Ethereum, ориентированная на объединение: будущее масштабирования Ethereum

Финансовая устойчивость — фундаментальное требование криптопроекта, и в 2023 году это может означать миллионы, если не десятки миллионов долларов финансирования. Фонд Ethereum или Gitcoin Grants могут предоставить некоторое финансирование для некоторых из этих проектов, но их масштаб просто недостаточен для покрытия такой значительной суммы. В некоторых случаях проекты уровня 2 могут запускать свои собственные токены – при условии, конечно, что токены подкреплены реальной экономической ценностью (т. е. комиссиями, прогнозируемыми в будущем).

В дополнение к вышеперечисленным преимуществам, дорожная карта, ориентированная на роллапы, также оставляет место для протоколов L2, которые способны собирать комиссии/MEV, которые можно использовать для финансирования разработки, прямо или косвенно (путем поддержки токена). Поскольку базовый уровень Ethereum должен быть достоверно нейтральным, сложно осуществлять внутрипротокольное финансирование общественных благ (представьте себе, что вызов ACD пытается определить, сколько должен получить каждый человек). Однако наличие у L2 собственных механизмов финансирования (и/или участие в грантах Gitcoin) вызывает меньше споров. Поэтому для долгосрочной экономической устойчивости Ethereum может быть целесобразным оставить это пространство открытым.

Помимо вопросов финансирования, наиболее творческие люди часто хотят иметь возможность большего влияния в своей области вместо того, чтобы спорить с другими о будущем протокола Ethereum в целом. Более того, существует ряд существующих проектов, направленных на разработку различных типов платформ. Дорожные карты, ориентированные на роллапы, обеспечивают четкий путь для всех этих проектов к тому, чтобы стать частью экосистемы Ethereum, сохраняя при этом высокую степень автономии от экосистемы Ethereum с точки зрения экономики и технических соображений.

Масштабирование Ethereum, несомненно, стало одной из самых горячих тем последних месяцев. Переход сети на алгоритм консенсуса Proof-of-Stake в сентябре 2022 года стал важной вехой в этом отношении, поскольку открыл возможности для реализации множества решений по масштабированию. Пока разработчики ETH работают над естественным масштабированием сети, мощь решений второго уровня только начинает проявляться. Такие концепции, как доказательства с нулевым раскрытием информации, сейчас становятся реальностью, но многим они все еще чужды.

Заключение

Использование накопительных пакетов в будущем обновлении Ethereum сыграет важную роль в обеспечении стабильности блокчейна и его всестороннем развитии по сравнению с решениями первого уровня, такими как шардинг. По словам создателя проекта Виталика Бутерина, решение фундаментально изменит его инфраструктуру реестра, что позволит расширить его практическое применение в криптоиндустрии.