Що таке триєдність блокчейну?

Блокчейн обробляє обмежену кількість транзакцій за секунду. Наприклад, мережа Біткоїн може обробляти приблизно сім транзакцій за секунду. Після широкого впровадження технології блокчейн, здатність обробляти дані та швидкість значно зростуть, а збільшення кількості користувачів не призведе до сповільнення мережі або зростання комісій. Однак основні принципи децентралізованих мереж часто зосереджені на підвищенні масштабованості, що може послабити децентралізацію або безпеку. Це і є так званий «триєдинний парадокс блокчейну». Розробники експериментують з різними механізмами консенсусу, а також рішеннями для масштабованості, такими як шарінг, сайдчейни та стейт-канали, щоб вирішити цю проблему.

Вступ

Коротко кажучи, блокчейн — це розподілена цифрова база даних. Блоки даних організовані за хронологічним порядком. Вони з’єднані за допомогою криптографічних доказів і захищені безпекою. Ця технологія застосовується у різних галузях і вже змінює наш спосіб роботи та життя.

Ця ідея полягає в тому, що після появи безпечного децентралізованого блокчейну, людям не потрібно покладатися на третіх осіб або ринки для підтримки функціонування світу. Однак експерти вважають, що для широкого впровадження цієї технології потрібно вирішити ключову проблему — так званий «триєдинний парадокс блокчейну».

Співзасновник Ethereum Віталік Бутерін зробив цей термін широко відомим. Щоб зрозуміти цю концепцію, потрібно знати три основні елементи блокчейну: децентралізацію, безпеку та масштабованість. «Триєдинний парадокс блокчейну» означає, що ці три характеристики важко досягти одночасно на оптимальному рівні. Покращення однієї зазвичай призводить до послаблення іншої.

У цій статті ми розглянемо три основні елементи парадоксу та детально їх проаналізуємо. Глибше розуміння взаємозв’язків та причин існування цього парадоксу допоможе краще зрозуміти його природу. Також ми зосередимося на кількох запропонованих розробниками рішеннях.

Що таке децентралізація?

Згідно з задумом, Bitcoin та інші подібні мережі мають децентралізовану природу. Загальна архітектура таких мереж не контролюється окремими особами або організаціями, а є децентралізованою. Мережа відкрито для всіх учасників. Контроль повністю розподілений і не зосереджений в одних руках. Кожен має доступ до однакових даних. Якщо хтось спробує змінити записи за власним бажанням або шахраювати, інші учасники зможуть відхилити неправильні дані.

Такий підхід є технічно складним. Візьмемо мережу Bitcoin — тут не залучені посередники. Порівняймо це з фінансовою системою, де довіра до банків забезпечує безпеку та збереження записів. Банки підвищують довіру між сторонами та гарантують правильне збереження всіх записів. У випадку з Bitcoin, дані спільно зберігаються всією мережею, що забезпечує їхню перевірку перед додаванням до цифрової бази даних. Це створює систему без посередників.

Децентралізація відкриває можливості для так званого Web3. Наш сучасний інтернет — це Web2. Веб-сайти та додатки контролюються великими компаніями, але контент створюють користувачі. Web3 — це наступний етап розвитку. У Web3 люди самі контролюють свої дані та онлайн-життя за допомогою децентралізованих технологій блокчейн.

Однак потрібно враховувати, що робота таких розподілених систем вимагає узгодження великої кількості учасників щодо валідності всіх даних. Це означає, що інформація має бути спільною та оброблятися швидко, що може сповільнити транзакції. Тому блокчейн потребує масштабованості — здатності швидко обробляти більший обсяг даних. Це питання ми розглянемо далі у розділі про масштабованість.

Крім того, для досягнення децентралізації потрібно забезпечити безпеку базового рівня блокчейну. Якщо безпека відсутня, зловмисники зможуть змінювати дані на свій розсуд. Це і веде до другої частини парадоксу — безпеки.

Що таке безпека блокчейну?

Якщо безпека відсутня, навіть високий рівень децентралізації не допоможе. Надійна мережа блокчейн має бути здатною протистояти атакам зловмисників. Централізовані системи є закритими і тому більш безпечними. Контролюючі особи можуть гарантувати цілісність даних. Але у децентралізованих системах, де кожен може брати участь, як забезпечити безпеку?

Це складне питання. Візьмемо Bitcoin — його безпека забезпечується криптографією та механізмом консенсусу «доказу роботи» (Proof of Work, PoW). З криптографічної точки зору, кожен блок має цифровий підпис або хеш. Зміна будь-яких даних змінює хеш, і таким чином блоки з’єднані у незмінний ланцюг. Будь-яка спроба змінити дані швидко виявляється мережею.

Механізм PoW також забезпечує безпеку криптовалютного реєстру. Щоб зрозуміти PoW, потрібно багато зусиль, але для нашої мети достатньо запам’ятати, що учасники мережі можуть лише перевіряти нові транзакції та додавати їх до реєстру через «майнінг». Це вимагає обчислювальної потужності для розв’язання складних математичних задач. Процес потребує багато хеш-обчислень. Хоча PoW є безпечним, він повільний, що створює проблему масштабованості.

Зверніть увагу, що чим більше учасників у мережі, тим вона безпечніша. Більша кількість учасників ускладнює зловмисникам контроль над системою. Це пов’язано з так званою атакою 51%. Якщо один або група зловмисників контролює понад 50% хешрейту мережі, вони можуть скасовувати транзакції та змінювати дані, наприклад, у випадку подвійного витрачання.

Отже, безпека — це основа успіху блокчейну. Відсутність безпеки робить систему вразливою для атак і зменшує її цінність.

Що таке масштабованість?

Масштабованість — це здатність блокчейну підвищувати швидкість обробки транзакцій за секунду. Щоб обслуговувати ширше суспільство або мільярди користувачів, потрібно розвивати цю характеристику. Однак саме це і є однією з головних проблем, з якими стикаються багато блокчейнів.

Причина в тому, що децентралізація та безпека — це фундаментальні питання, які завжди отримують пріоритет. Децентралізація — це ядро концепції та цілей блокчейну. Більшість відомих блокчейнів дотримуються цього принципу. Як зазначалося раніше, безпека — це ключова вимога для успіху та цінності системи.

Однак, пріоритетність децентралізації та безпеки ускладнює досягнення масштабованості. Одна лінія обробляє обмежену кількість транзакцій. Наприклад, платіжна система Visa може обробляти до 24 000 транзакцій за секунду, оскільки її мережа закрита і не залежить від публічних вузлів або консенсусу. Порівняймо з іншими відомими блокчейнами.

За даними Bloomberg 2022 року: «На вересень, Bitcoin обробляє менше 7 транзакцій за секунду, а другий за популярністю Ethereum — близько 15 транзакцій. У порівнянні з традиційними платіжними системами, це здається дуже повільним.»

Як вже згадувалося, обмеження швидкості транзакцій у децентралізованих мережах зумовлені особливостями обробки інформації учасниками та природою механізму PoW. Зі зростанням кількості користувачів, що використовують блокчейн, обмежена пропускна здатність може спричинити затори у мережі.

Чому виникає триєдинний парадокс блокчейну?

Розв’язання цієї проблеми — зменшення кількості учасників, що підтверджують і додають дані до мережі, щоб збільшити швидкість і масштабованість. Однак це зменшує децентралізацію, оскільки контроль зосереджується у кількох учасників. Менша кількість учасників збільшує ризик атак і послаблює безпеку.

Отже, триєдинний парадокс виникає через те, що у базовому дизайні роботи блокчейну децентралізація та безпека тісно пов’язані, що ускладнює досягнення масштабованості. Ці три характеристики перебувають у стані взаємної конкуренції. Як же просувати масштабованість, не шкодячи децентралізації або безпеці?

Розв’язання триєдинного парадоксу блокчейну

Для вирішення цієї проблеми не існує універсального рішення. Оскільки ця проблема є надзвичайно важливою, спільнота запропонувала різні підходи, які вже показали певний успіх. Ось короткий огляд найпопулярніших з них.

1. Шарінг

Це розбиття блокчейну або іншої бази даних на менші частини — «шарінги», кожен з яких управляє окремою частиною даних. Такий підхід зменшує навантаження на один ланцюг, що обробляє всі транзакції. Кожен шарінг має власний реєстр. Вони можуть обробляти транзакції самостійно, а взаємодія між шарінгами контролюється головним ланцюгом або «базовим» ланцюгом. Це змінює архітектуру основної мережі, тому шарінг вважається оновленням для масштабованості Layer 1.

2. Різні механізми консенсусу

Однією з головних причин триєдинного парадоксу є механізм PoW, що забезпечує безпеку. Щоб система була безпечною, потрібні майнери, криптографічні алгоритми та велика кількість децентралізованих обчислювальних ресурсів, що призводить до повільної роботи системи. В пошуках інших способів досягнення консенсусу з’явилися альтернативи. Це, зокрема, причина, чому Ethereum перейшов з PoW на механізм «загальної частки» (Proof of Stake, PoS).

У PoS учасники повинні «заставити» (заблокувати) свої токени для участі у підтвердженні транзакцій, але не потрібні високотехнологічні майнери. Додаткові валідатори стають легше залучати. PoS — один із багатьох підходів до масштабованості.

3. Рішення Layer-2

Шарінг і різні механізми консенсусу — це так звані рішення Layer-1, що змінюють базову архітектуру мережі. Інші розробники досліджують підходи, що базуються на побудові рішень поверх існуючої мережі, щоб подолати триєдинний парадокс. Це так звані «шар 2» рішення, наприклад, сайдчейни та стейт-канали.

Сайдчейни — це незалежні ланцюги, підключені до основного ланцюга. Вони дозволяють вільно переміщувати активи між ланцюгами. Важливо, що сайдчейни можуть працювати за різними правилами, що дозволяє швидше та масштабніше обробляти транзакції. Аналогічно, стейт-канали — це спосіб зменшити навантаження на Layer 1, перемістивши транзакції поза основний ланцюг. Вони не мають окремого ланцюга, а використовують смарт-контракти для взаємодії без публікації кожної транзакції у блокчейні. Лише початковий і кінцевий стан фіксуються у ланцюгу.

Підсумки

Триєдинний парадокс блокчейну стримує потенціал технології змінювати світ. Якщо мережі зможуть обробляти лише невелику кількість транзакцій за секунду, зберігаючи децентралізацію та безпеку, масштабне впровадження стане проблемою. Однак, за останніми розробками та пропозиціями, лише постійний розвиток технологій дасть змогу у майбутньому досягти проривів у обробці даних. ()(