модульний блокчейн: вбудоване рішення для вузьких місць продуктивності блокчейн

Блокчейн технологія з моменту свого виникнення стикається з викликами масштабованості. Монолітний Блокчейн відомий своєю всебічністю, самостійно виконуючи всі аспекти мережі, від зберігання даних до верифікації транзакцій тощо. Однак такий дизайн також призвів до продуктивних вузьких місць. Модульний Блокчейн, розділяючи різні функції Блокчейну на незалежні модулі, забезпечує кращу підтримку продуктивності та користувацький досвід у певних функціях, у певній мірі вирішуючи проблему "неможливого трикутника".

Ефіріум, як перша блокчейн-платформа, що підтримує смарт-контракти, забезпечує родюче середовище для модульного дизайну. З розвитком технологій екосистема біткоїна також почала досліджувати можливості модульності, додаючи нові модулі для реалізації більш високих функцій, таких як покращене захист приватності, більш ефективна обробка транзакцій або розширені можливості смарт-контрактів.

модульна технологія представляє собою більш "гнучку" ідею про модульні продукти. У майбутньому можуть з'явитися більш гнучкі та налаштовувані Блокчейн рішення, які дозволять різним сервісам і функціям легко вставлятися і видалятися, як у конструкторі Lego. Ця гнучкість дозволяє розробникам швидко створювати та впроваджувати Блокчейн рішення відповідно до вимог конкретних сценаріїв застосування.

Монолітний блокчейн та модульний блокчейн

Коли ми обговорюємо модульний блокчейн, спочатку потрібно зрозуміти концепцію монолітного блокчейну. Монолітні блоки, такі як Біткойн, Ефір та інші, відомі своєю універсальністю, незалежно виконуючи всі аспекти мережі, від зберігання даних до верифікації транзакцій, і до виконання смарт-контрактів. У цьому процесі монолітний блокчейн відіграє роль універсального спеціаліста, охоплюючи всі етапи.

Візьмемо Ethereum як приклад, зріла монолітна Блокчейн зазвичай може бути приблизно поділена на чотири архітектури:

• Виконавчий шар (Execution Layer)
• Розрахунковий шар(Settlement Layer)
• Шар доступності даних/ DA шар (Шар доступності даних)
• Консенсусний шар (Consensus Layer)

Модульні блокчейни – це новий тип архітектури, який розбиває систему блокчейну на спеціалізовані компоненти або рівні, кожен з яких відповідає за обробку конкретних завдань, таких як консенсус, доступність даних, виконання та розрахунки.

Модульний блокчейн схожий на групу експертів, які зосереджуються на глибокому видобутку та технологічних інноваціях у своїх галузях. Цей фокус дозволяє модульним блокчейнам забезпечувати чудову продуктивність і користувацький досвід у конкретних функціях, таких як їхня здатність забезпечувати швидшу обробку транзакцій за нижчими витратами.

У контексті архітектури вузлів монолітна ланцюг залежить від повних вузлів, які повинні завантажити та обробити копію всіх даних блокчейну. Це не тільки висуває високі вимоги до ресурсів зберігання та обчислень, але й обмежує швидкість масштабування мережі. На відміну від цього, модульний блокчейн використовує дизайн легких вузлів, які повинні обробляти лише інформацію заголовка блоку, що значно підвищує швидкість транзакцій та ефективність мережі.

Видимою перевагою модульного блокчейну є його гнучкість і співпраця. Вони можуть передавати неосновні функції іншим експертам, формуючи синергію, що призводить до значного підвищення загальної продуктивності. Ця філософія дизайну подібна до конструктора LEGO, що дозволяє розробникам вільно поєднувати різні модулі відповідно до вимог проекту, створюючи різноманітні рішення.

Хоча монолітні блоки мають переваги в глобальному контролі, безпеці та стабільності, вони також стикаються з викликами масштабованості, складності оновлення та адаптації до нових вимог. Модульний блокчейн, в свою чергу, вирізняється своєю високою гнучкістю та можливістю налаштування, спрощуючи процес створення та оптимізації нових блокчейнів.

Однак, модульний блокчейн також стикається з властивими йому викликами. Його складна архітектура збільшує обсяг роботи для розробників у проектуванні, розробці та обслуговуванні. Як нова технологія, модульний блокчейн ще не пройшов комплексного тестування на безпеку та випробувань ринковими коливаннями, його довгострокова стабільність і безпека все ще потребують подальшої верифікації.

модульний блокчейн вирішує "неможливий трикутник"

"Неможливий трикутник" блокчейну відноситься до того, що блокчейн-мережа важко досягти оптимального стану в трьох основних атрибутах одночасно: безпеки, децентралізації та масштабованості.

• Масштабованість стосується здатності мережі обробляти велику кількість транзакцій і підтримувати ефективну та низькозатратну роботу під час зростання кількості користувачів та транзакцій. Зазвичай вимірюється за допомогою TPS (кількість транзакцій за секунду) та затримки (час підтвердження транзакції).

• Безпека стосується витрат і складності захисту мережі Блокчейн від атак. Наприклад, механізм POW Біткоїна вимагає, щоб зловмисник контролював понад 51% хешрейту мережі, тоді як механізм POS Ефіріуму вимагає, щоб понад ⅓ вузлів змовлялися.

• Децентралізація описує роботу мережі, яка не залежить від єдиного центрального вузла, а розподілена серед багатьох вузлів; чим більше вузлів і чим ширше географічне розподілення, тим вищий ступінь децентралізації мережі.

Основна ідея "неможливого трикутника" полягає в тому, що блокчейн-системі важко оптимізувати всі три характеристики. Наприклад, серед багатьох публічних блокчейнів, Біткоїн та Ефір виділяються своєю широкою розподіленістю вузлів та достатньою кількістю вузлів, в аспектах децентралізації та безпеки.

Однак вони жертвують певною мірою масштабованістю, що призводить до повільнішої швидкості транзакцій і вищих комісій: час створення блоку в Біткоїні становить близько 10 хвилин, а TPS в Ефірі приблизно 13, під час різкого зростання обсягу транзакцій комісії в Ефірі можуть досягати кількох сотень доларів.

Саме в такому контексті виникла модульна блокчейн-технологія, яка вирішує проблеми традиційних публічних ланцюгів у сферах масштабованості та вартості транзакцій, розподіляючи різні функції між спеціалізованими модулями. Наприклад, мережа Lightning для біткоїна та технологія Rollup для ефіріуму є втіленням модульної ідеї.

Переваги модульного блокчейну полягають у його багаторівневій архітектурі, яка дозволяє кожному рівню оптимізуватися для конкретних потреб. Дані рівень може зосередитися на зберіганні та верифікації даних, тоді як виконавчий рівень може обробляти логіку смарт-контрактів. Це розділення не тільки підвищує продуктивність і ефективність, але й сприяє взаємодії між різними блокчейнами, створюючи основу для побудови відкритої та взаємопов'язаної екосистеми.

Отже, модульний блокчейн забезпечує новий шлях для вирішення обмежень традиційних публічних блокчейнів. Він досягає вищої масштабованості та нижчих витрат на транзакції, зберігаючи при цьому децентралізацію та безпеку, що має глибоке значення для широкого застосування технології блокчейн та її довгострокового розвитку.

Типи модульного блокчейну

модульний блокчейн, виходячи з його архітектурних характеристик, можна розділити на різні типи. Серед цих типів, рівень доступності даних та рівень консенсусу через їх тісну взаємозалежність часто розробляються як єдине ціле. Це пов'язано з тим, що, коли вузли отримують дані транзакцій, зазвичай також одночасно визначається порядок транзакцій, що є основою безпеки та незмінності блокчейн.

Відповідно до цього принципу дизайну, ми можемо зрозуміти різні проекти модульного блокчейну з трьох аспектів: рівня виконання, рівня доступності даних та рівня консенсусу, а також рівня розрахунків.

Виконавчий рівень: Технологія Layer 2

Технології другого рівня, як розширення виконавчого рівня архітектури блокчейн, є одним із проявів концепції модульного блокчейн. Вони прагнуть підвищити масштабованість основного ланцюга шляхом створення мережі, системи або технології поза ланцюгом, побудованої на основному блокчейн.

Рішення Layer 2 дозволяють швидшу та економічнішу обробку транзакцій, зберігаючи при цьому безпеку та децентралізовані характеристики базового блокчейну. Згідно з інформаційною панеллю, можна побачити, що частка газу, що споживається для верифікації та клірингу Layer 2 в екосистемі Ethereum, в середньому становить менше 10%, що значно економить витрати користувачів на транзакції.

Технологія Rollup є найпоширенішим рішенням Layer 2 на сьогодні, її основна концепція полягає в "виконанні поза ланцюгом, перевірці в ланцюзі", виконуючи обчислення та інші роботи поза ланцюгом, а потім завантажуючи дані calldata назад до основної мережі.

виконання поза блокчейном

У моделі Rollup транзакції виконуються поза ланцюгом, а основний Блокчейн відповідає лише за перевірку доказів транзакцій у смарт-контрактах і зберігання вихідних даних транзакцій. Такий дизайн істотно зменшує обчислювальне навантаження на основний ланцюг, знижує вимоги до зберігання, що дозволяє більш ефективну обробку транзакцій.

Щоб додатково знизити витрати, Rollup використовує технологію упаковки транзакцій. Це можна порівняти з контейнеризацією вантажів у логістиці: окреме відправлення кожного вантажу призводить до високих витрат на транспортування. Технологія Rollup, упаковуючи кілька транзакцій разом, потребує лише однієї "транспортування", що значно знижує витрати на кожну транзакцію.

перевірка в ланцюгу

Перевірка в ланцюзі є ключем до безпеки мережі Layer 2. Мережі Layer 2 повинні надавати криптографічні докази, щоб вирішити потенційні розбіжності на основному блокчейні. Наразі існують два основних механізми доказування — доказ помилок та доказ дійсності, які відповідно підтримують Optimistic Rollups та ZK Rollups.

Помилка доказу Optimistic Rollups

Оптимістичні Роллапси використовують оптимістичну гіпотезу, що всі транзакції за замовчуванням є дійсними, якщо немає явних доказів наявності помилки. Ця модель залежить від доказів помилки (фрод-доказів) під час періоду оскарження, будь-який учасник мережі може подати докази для оскарження стану смарт-контракту, що забезпечує справедливість і прозорість мережі.

Наразі існує 16 Layer 2, які використовують механізм Optimistic Rollups, такі як: Arbitrum, OP, Base, Blast тощо.

Докази ефективності ZK Rollups

На відміну від Optimistic Rollups, ZK Rollups використовують більш обережний підхід, що вимагає, щоб усі транзакції проходили перевірку на дійсність перед їх прийняттям. Цей механізм доказу подібний до процесу верифікації, що гарантує точність кожної транзакції та обчислень у мережі Layer 2.

Коротко кажучи, доказательство дійсності є основою ZK-Rollups, оскільки воно вимагає, щоб кожна партія транзакцій супроводжувалася відповідними доказами, що забезпечує можливість верифікації та затвердження змін стану смарт-контрактами на основному Блокчейн. Для верифікаційних вузлів ZK Rollups пропонують механізм розрахунку без помилок, оскільки кожна транзакція повинна проходити через строгий процес перевірки дійсності.

Наразі існує 11 Layer 2, які використовують механізм ZK Rollups, такі як: Linea, Starknet, zkSync тощо.

шар доступності даних та шар консенсусу

Селестія

Celestia як піонер у сфері модульного блокчейну, по суті є шаром доступності даних, що забезпечує міцну основу для розробки dApps і Rollup. Шляхом розгортання на шарі доступності даних і шарі консенсусу Celestia, розробники додатків можуть зосередитися на оптимізації логіки виконання, залишаючи складнощі доступності даних та механізму консенсусу на обробку Celestia.

Архітектурний дизайн Celestia пропонує різноманітні рішення для модульного розширення, його архітектура в основному складається з трьох типів:

• Суверенний Rollup: Celestia надає шар доступності даних та шар консенсусу, тоді як шар розрахунків та шар виконання реалізуються окремо кожним суверенним блокчейном.
• Розрахунок Rollup (наприклад, проект Cevmos): на основі DA та консенсусного шару, наданого Celestia, Cevmos надає послуги розрахункового шару, тоді як прикладний ланцюг виконує роль виконавчого шару.
• Celestium: Шар доступності даних забезпечується Celestia, а шар консенсусу та шар розрахунків покладаються на потужну мережу Ethereum, в той час як додаткові ланцюги продовжують зосереджуватись на шарі виконання.