О будущем Эфириума

Что нужно знать:

— Эфириум — дом для ETH, второй криптовалюты по рыночной капитализации в мире. В сентябре 2022 года данный блокчейн прошёл через так называемое Слияние, которое предполагало его переход с алгоритма консенсуса Доказательства выполнения работы (PoW) на Доказательство доли владения (PoS). — Обновление прошло успешно. Однако сеть Эфириума по-прежнему вызывает вопросы относительно её способности масштабироваться и готовности к следующему этапу развития мира Web3. — В этой статье рассматриваются проблемы масштабирования сети Ethereum и оценивается её способность обеспечить массовую популяризацию технологий нового поколения. Автор признаёт, что идеального решения масштабируемости пока не существует. При этом у сетей второго уровня вместе с Optimistic- и Validity-роллапами есть наибольший потенциал для улучшения масштабируемости в паре с неплохим компромиссом для решения так называемой трилеммы блокчейна. — Благодаря использованию технологии доказательств с нулевым разглашением Optimistic- и Validity-роллапы окажутся ключевым инструментом в формировании будущего Эфириума. Они позволят проводить бездоверительные, сложные и безразрешительные транзакции в куда большем масштабе.

Масштабирование Эфириума — в поисках решения

Сегодня Эфириум сталкивается с ограниченными возможностями обработки транзакций, что в целом актуально для многих блокчейнов. И хотя сеть справляется с переводами ETH и работой тысяч децентрализованных приложений, рост популярности Эфириума привёл к более медленному проведению транзакций, которые при этом требуют больших комиссий.

To mitigate high fees, this situation drove insecure design decisions such as off-chain centralized services for NFT marketplaces. The introduction of EIP-1559 improved fee estimation and incentivization, but hasn’t significantly improved scalability. The scalability challenge is well understood within the popular blockchain trilemma of Scalability, Decentralization, and Security.

Трилемма блокчейна утверждает, что невозможно одновременно достичь трёх перечисленных свойств в лице децентрализации, безопасности и масштабируемости. В частности, отказ от децентрализации позволяет куда легче создавать масштабируемые и безопасные системы, причём мир Web2 это уже доказал. В то же время выбор в пользу масштабируемости за счёт игнорирования механизма консенсуса закончится созданием бессмысленного, небезопасного и децентрализованного блокчейна. Да, решение трилеммы блокчейна — невероятно сложная задача. Причём она остаётся актуальной на протяжении последнего десятилетия.

Повышение пропускной способности: разные подходы

За последние годы было предложено немало вариантов решения трилеммы Эфириума. Особой популярностью пользовалась идея создания блоков большего размера или увеличения числа новых блоков за единицу времени. И хотя в целом такой подход кажется неплохим, он существенно повышает требования к нодам в блокчейне вместе с валидаторами и майнерами для достижения консенсуса. Ну а это не только увеличивает централизацию, но также замедляет реорганизацию блокчейна, приводя к рискам безопасности.

Альтернативный подход — создание так называемого сайдчейна для снижения нагрузки на основную сеть, что уже происходит в случае с Polygon. Такая система требует компромиссов в вопросах безопасности. Всё же она опирается на более слабый консенсус в сравнении с Эфириумом из-за более низкой рыночной капитализации нативного токена сайдчейна. Да, это решение подходит для определённых случаев, однако оно зачастую приводит к повышению централизации и не избавляет сеть Ethereum от проблем масштабируемости. И опять же, подобному подходу всё ещё очень далеко до десятков тысяч запросов на проведение транзакций, необходимых для работы систем по примеру Visa.

L2-сети и шардинг — решение проблем масштабируемости Эфириума?

Шардинг и L2-сети считаются лучшими вариантами масштабирования Эфириума с одновременным сохранением трилеммы блокчейна.

С одной стороны, шардинг достаточно давно считается ключом к масштабированию блокчейнов. Именно он стал главной особенностью анонсированного в 2019 году обновления Eth2 вместе с переходом блокчейна к BLS-подписям и алгоритму консенсуса Доказательства доли владения (PoS), а также внедрением eWASM. С другой — сети второго уровня или L2 стремительно развиваются благодаря актуальным исследованиям механизмов роллапа. Рассмотрим происходящее в этих двух сферах вместе с их будущим.

Как работает шардинг в блокчейне?

Понятие шардинга происходит из науки о базах данных, где массивы информации проходят горизонтальную разбивку на более мелкие части, также известные как шарды. Каждый шард — это отдельная база данных, содержащая подмножество данных. В целом шардинг используется для масштабирования путём распределения данных и запросов между разными серверами. Таким образом база может справляться с большими объёмами данных без задействования единого мощного сервера.

Идея применения технологии шардинга в блокчейне быстро стала популярной среди разработчиков. В данном случае она предполагает разделение целой сети на более мелкие подсети под названием шарды, которые позволяют обрабатывать транзакции в параллельном режиме. Вообще в блокчейне с использованием шардинга каждый шард представляет собой отдельную цепочку, работающую независимо от других. Соответственно, каждая нода, майнер или валидатор могут сосредоточиться на выбранном шарде для достижения локального консенсуса. Такой подход позволяет обрабатывать транзакции параллельно, к тому же каждому шарду достаётся меньше транзакций для проведения. Звучит прекрасно, но в чём тогда подвох?

Трудности шардинга: консенсус, коммуникация между шардами и безопасность

Шардинг в блокчейне затрудняет определение общего консенсуса в сети. Что вообще можно считать глобальным консенсусом сети в данном случае? Это объединение всех локальных консенсусов? Но как и где тогда закреплять этот локальный консенсус для достижения глобального, которому все могли бы доверять? Ответить на все эти вопросы сложно.

Ещё одна серьёзная проблема на пути к внедрению шардинга — коммуникация между разными шардами. К примеру, в случае с базами данных у пользователей нет подобных неудобств. Всё же данные здесь разделены между шардами, а значит их чтение и запись не вызывает каких-либо неполадок. Однако когда дело доходит до шардов блокчейна, которые выполняют код, всё куда сложнее. Каждый шард должен иметь возможность запускать свой код, обращаться к состоянию другого шарда и вдобавок выполнять код на другом шарде. Увы, добиться такого результата очень непросто.

Сложность внедрения шардинга также связана с безопасностью. Ранее данная проблема изучалась экспертами, которые подтвердили, что различные схемы шардинга являются уязвимыми перед многими новыми видами атак. Прежде всего, ставится под сомнение сам механизм достижения консенсуса. Всё же если сеть разделена на десять шардов с распределёнными между ними майнерами, значит захват одного шарда будет в десять раз менее затратным заданием в сравнении с получением контроля над целым блокчейном. Соответственно, атака 51% в таком случае превратится в атаку 5,1%. Для решения этой проблемы необходимо сменить алгоритм консенсуса с Доказательства выполнения работы (PoW) на Доказательство доли владения (PoS). Собственно, это и стало основной мотивацией для перехода сети Эфириума на PoS.

С точки зрения безопасности роль Слияния вызвала немало обсуждений. При этом в контексте децентрализации обновлённый механизм консенсуса в сети Эфириума отдаёт предпочтение централизации, поскольку контроль над происходящим в блокчейне определяется владением токена ETH.

Вот основные моменты, которые увеличили централизацию в обновлённой сети Эфириума:

• Запуск ноды в блокчейне Ethereum — достаточно сложный процесс, к тому же он требует ресурсов и стабильной работы без отключений. В связи с этим запустить ноду и поддерживать её работу на ноутбуке или смартфоне попросту не получится.

• Порог в 32 ETH для запуска ноды валидатора и как минимум временное отсутствие функции вывода эфиров из стейкинга привели к образованию пулов и ликвидного стейкинга. В последнем лидерство завоевала платформа Lido. В целом сегодня лишь четыре платформы контролируют более 55% эфиров в стейкинге блокчейна. Это Lido с 29,2%, Coinbase с 13,1%, а также Kraken с 7,6% и Binance с 6,2% рынка.

Шардинг в блокчейне это любопытная идея для увеличения масштабируемости. Однако она требует наличия сложной архитектуры — и особенно когда дело доходит до определения общего консенсуса и внедрения эффективного протокола для взаимодействия между шардами. Разработчики уже приложили немало усилий для достижения перечисленных целей. Но пока, увы, мы достаточно далеки от их полной реализации и ощутимого влияния на трилемму блокчейна.

Роллапы приходят на помощь

Роллапы сжимают несколько транзакций в одну для её дальнейшего проведения в сети Эфириума. А значит они позволяют выполнять операции за пределами блокчейна, одновременно полагаясь на безопасность блокчейна Ethereum для их дальнейшего расчёта. Существует два основных варианта реализации этой идеи:

• Optimistic-роллапы, позволяющие пользователям предоставлять доказательства мошенничества в случае возникновения спора.
• ZK-роллапы, в рамках которых L2-сети выпускают доказательства подтверждения.

Optimistic-роллапы и проблема завершённости

Optimistic-роллапы были разработаны в соответствии с логикой работы EVM. Вообще их называют оптимистичными, поскольку они не предполагают проведение пользователями мошеннических транзакций и позволяют заносить переводы непосредственно в блокчейн.

При этом здесь существует механизм доказательств мошенничества, которые могут предоставить валидаторы L2-сети. Это позволит проверить транзакцию, проведённую вне основного блокчейна, на протяжении последних дней. В случае с Optimism речь идёт о неделе. Правильное доказательство мошенничества определит недобросовестные шаги при проведении транзакции, что приведёт к её отмене и начислению штрафа для валидатора, который её подтвердил. Такой подход повышает пропускную способность блокчейна, одновременно с этим сохраняя безопасность основной сети Эфириума.

Однако вместе с этим Optimistic-роллапы поднимают вопрос завершённости. В случае с блокчейнами подтверждённая транзакция считается постоянной и необратимой, хотя это зависит от механизма консенсуса. К примеру, в PoW-блокчейнах в целом транзакцию называют завершённой при низкой вероятности реорганизации блокчейна, а в случае с Биткойном перевод считается необратимым после шести подтверждений. В то же время при взаимодействии с Optimistic-роллапами транзакции могут отменяться спустя несколько дней, что приводит к проблеме завершённости и новому компромиссу.

ZK-роллапы — ещё одна разновидность роллапов

ZK-роллапы представляют собой разновидность роллапов, названную в честь технологии доказательства с нулевым разглашением по типу SNARK или STARK. И поскольку само свойство нулевого разглашения не особо полезно, было бы точнее называть такое решение Validity-роллапами, то есть роллапами валидности или подтверждения.

В целом этот роллап обрабатывает несколько транзакций, после чего создаёт доказательство подтверждения. Последнее подтверждается в смарт-контракте на базе сети Эфириума, что по сути является доказательством окончательного результата транзакции. Криптографическое доказательство при этом генерируется с помощью криптографических примитивов с нулевым разглашением.

В более широком смысле доказательства с нулевым разглашением позволяют одной стороне доказательства — пруверам — показать наличие определённой информации другой стороне проверки в лице так называемых верифаеров. Что особенно важно, этот процесс происходит без раскрытия самой информации. Соответственно, верифаеры могут быть уверены в правдивости утверждений пруверов без ознакомления с их содержимым.

Изначально ZK-роллапы и доказательства с нулевым разглашением были разработаны для конфиденциальности пользователей. Сейчас же они используются для совершенно другой цели — сжатия и доверительных вычислений. Сегодня две наиболее популярные технологии доказательства с нулевым разглашением представлены zk-STARK и zk-SNARK. Первая означает масштабируемый прозрачный аргумент знания с нулевым разглашением (zero-knowledge scalable transparent argument of knowledge). Вторая — краткий неинтерактивный аргумент знания с нулевым разглашением (zero-knowledge succinct non-interactive argument of knowledge).

Проблема доступности данных для L2-сетей

Технологии доказательств с нулевым разглашением обеспечивают достоверность состояния L2-сети, однако само по себе доказательство не предоставляет доступ к этому состоянию. Для увеличения пропускной способности выполнение транзакции переносится за пределы основной цепочки, хотя данные по-прежнему должны быть легко доступными для восстановления. Чтобы добиться этой цели, данные транзакций передаются как данные вызова в сети Эфириума, таким образом гарантируя их доступность для будущего восстановления. Эти данные также могут находиться в надёжном децентрализованном хранилище по типу IPFS или Arweave, что позволяет любому желающему восстановить L2-сеть и использовать внутренние стимулы децентрализованного хранилища.

Лучшим решением стало бы наличие возможности хранить эти данные в блокчейне, однако в этом случае данные нужны лишь для восстановления состояния или истины L2-сети. Они не выполняются, поэтому использовать для них ёмкость блокчейна было бы неэффективно и дорого.

Для выхода из ситуации разработчики Эфириума представили два предложения по улучшению сети — EIP-4488 и EIP-4844. Первое предложение снижает расходы газа для данных вызова, в то время как второе предполагает создание новой разновидности транзакций для хранения L2-данных. Важно отметить, что эти данные неизменяемы и доступны только для чтения. Соответственно, EVM не может получить к ним доступ и выполнить их.

Названные EIP являются точкой соприкосновения концепции развития ZK-роллапов и выполнения в рамках шардинга. По сути они предлагают одну и ту же концепцию, но для разных целей. EIP-4488 направлен на хранение необходимых L2-данных, а EIP-4844 или прото-данкшардинг необходим для внедрения данкшардинга и выполнения в рамках шардинга.

Данкшардинг

Данкшардинг предполагает разделение больших наборов данных на более мелкие части для их сортировки и обработки, что часто происходит параллельно. Данный метод используется в областях больших данных и искусственного интеллекта, где обучающие наборы зачастую бывают чересчур большими.

Прото-данкшардинг или EIP-4844 не внедряет шардинг, но при этом предлагает более доступное хранилище для данных вызовов, которое можно разделить на шарды. Такое хранилище существенно улучшит масштабируемость Эфириума и сетей второго уровня на его основе, а также в теории сделает сам шардинг необязательным.

Прото-данкшардинг

Благодаря прото-данкшардингу блокчейн Эфириума получит немасштабируемые вычисления и масштабируемые данные. В то же время ZK-роллапы по сути преобразуют эти масштабируемые данные вместе с немасштабируемыми, но надёжными вычислениями в масштабируемые вычисления.

ZK-роллапы в трилемме блокчейна

У ZK-роллапов есть серьёзные преимущества в масштабировании блокчейна без изменения его базовых свойств. Основным требованием в случае с ними является проверка доказательства с нулевым разглашением в рамках блокчейна, при этом доступность данных может быть внедрена за его пределами. В долгосрочной перспективе можно рассчитывать, что блокчейны первого уровня станут простыми, безопасными и децентрализованными, в то время как L2-сети позаботятся о масштабировании.

В чём же тогда уловка?

L2-сети действительно могут серьёзно масштабироваться. Как бы там ни было, для проведения расчётов в основной сети первого уровня необходимо предоставить доказательства подтверждения общего состояния L2-сети, что в свою очередь приводит к проблемам централизации. Также сегодня в L2-сетях есть только один прувер, а значит они могут подвергать цензуре ваши транзакции. Хотя заморозить активы пользователей в L1-сети у них не получится из-за существования нативных блокчейн-мостов. В целом поиск решения этой проблемы продолжается, что даёт возможность другим сторонам предоставлять доказательства, однако сложности для арбитража между этими доказательствами всё ещё остаются. Так или иначе, это важное препятствие, с которым нужно справиться ради будущего.

Представители Starknet ранее определили ситуацию как важную тему в дорожной карте. При этом разработчики Arbitrum разделяют ответственность между входящими секвенсора и отложенными входящими для обеспечения возможности вернуть средства в случае цензуры.

И напоследок

Как мы выяснили, масштабируемость может стоить очков безопасности и децентрализации, в то время как L2-решения позиционируются как наиболее перспективный вариант улучшения масштабируемости без ущерба для других составляющих трилеммы блокчейна.

Optimistic- и Validity-роллапы при одновременном использовании технологии доказательств с нулевым разглашением окажутся ключевым инструментом в формировании будущего Эфириума. Именно они позволят проводить бездоверительные, сложные и безразрешительные транзакции в куда большем масштабе. У Validity-роллапов есть важное преимущество в сравнении с Optimistic-роллапами — это быстрая завершённость. К тому же не так давно дорожная карта Эфириума была изменена для поддержки названных роллапов на уровне блокчейна.

Будущее масштабируемости блокчейна предполагает работу сложных децентрализованных приложений на базе L2-сетей или рекурсивных роллапов. Это, в свою очередь, может привести практически к бесконечной масштабируемости при одновременной децентрализации и безопасности блокчейна первого уровня. Так что на длительном промежутке времени L1-сети станут расчётным уровнем, а комплексные децентрализованные приложения попросту переместятся в сети второго уровня.