Модульный блокчейн: подключаемое решение для узких мест производительности Блокчейн

С момента своего появления технологии Блокчейн постоянно сталкиваются с проблемами масштабируемости. Монолитные Блокчейны известны своей универсальностью, они самостоятельно обрабатывают все аспекты сети, от хранения данных до верификации транзакций и так далее. Однако такой дизайн также приводит к производственным узким местам. Модульный Блокчейн предлагает лучшее производительное решение и пользовательский опыт, разделяя различные функции Блокчейна на независимые модули, что в определенной степени решает проблему "невозможного треугольника".

Эфириум, будучи первой платформой Блокчейн, поддерживающей смарт-контракты, предоставил плодородную почву для модульного дизайна. С развитием технологий экосистема Биткойн также начала исследовать возможности модульности, добавляя новые модули для реализации более продвинутых функций, таких как улучшенная защита конфиденциальности, более эффективная обработка транзакций или расширенные функции смарт-контрактов.

Модульная технология представляет собой более "гибкий" подход к концепции вставных продуктов. В будущем могут появиться более гибкие и настраиваемые решения для блокчейна, где различные услуги и функции можно будет легко вставлять и вынимать, как детали конструктора LEGO. Эта гибкость позволяет разработчикам быстро создавать и развертывать решения для блокчейна в зависимости от потребностей конкретных сценариев применения.

Монолитный блокчейн и модульный блокчейн

Когда мы обсуждаем Модульный блокчейн, необходимо сначала понять концепцию монолитного блокчейна. Монолитные цепочки, такие как Биткойн, Эфириум и другие, известны своей универсальностью, самостоятельно выполняя все уровни сети, от хранения данных до проверки транзакций и выполнения смарт-контрактов. В этом процессе монолитная цепочка играет многофункциональную роль, охватывая все аспекты.

Рассмотрим Эфириум, зрелый монолитный Блокчейн обычно можно условно разделить на четыре архитектуры:

• Исполнительный слой (Execution Layer)
• Слой расчетов(Settlement Layer)
• Уровень доступности данных / DA уровень (Уровень доступности данных)
• Уровень консенсуса (Consensus Layer)

Модульный блокчейн – это новая архитектура, которая разбивает систему Блокчейн на несколько специализированных компонентов или уровней, каждый из которых отвечает за выполнение определенных задач, таких как консенсус, доступность данных, исполнение и расчет.

Модульный блокчейн похож на группу экспертов, сосредоточенных на глубоком изучении и технических инновациях в своих областях. Эта концентрация позволяет модульному блокчейну предоставлять выдающуюся производительность и пользовательский опыт в определенных функциях, например, они могут обеспечивать более быструю скорость обработки транзакций по более низкой цене.

В отношении архитектуры узлов, монолитная цепочка зависит от полных узлов, которые должны загружать и обрабатывать полные копии данных Блокчейна. Это не только предъявляет высокие требования к ресурсам хранения и вычисления, но и ограничивает скорость масштабирования сети. В отличие от этого, Модульный блокчейн использует дизайн легких узлов, которые обрабатывают только информацию заголовка блока, что значительно увеличивает скорость транзакций и эффективность сети.

Модульный блокчейн имеет явное преимущество в своей гибкости и сотрудничестве. Они могут передавать некорневые функции другим специалистам, создавая синергетический эффект и достигая значительного повышения общей производительности. Эта философия дизайна похожа на кубики Лего, позволяя разработчикам свободно комбинировать различные модули в соответствии с потребностями проекта, создавая разнообразные решения.

Несмотря на то, что монолитные блокчейны имеют преимущества в глобальном контроле, безопасности и стабильности, они также сталкиваются с проблемами масштабируемости, сложности обновлений и адаптации к новым требованиям. Модульный блокчейн, в свою очередь, выделяется своей высокой гибкостью и настраиваемостью, упрощая процесс создания и оптимизации новых блокчейнов.

Однако модульный блокчейн также сталкивается с его уникальными вызовами. Его сложная архитектура увеличивает объем работы для разработчиков в области проектирования, разработки и обслуживания. Как новая технология, модульный блокчейн еще не прошел через всесторонние испытания безопасности и проверки на рыночные колебания, его долгосрочная стабильность и безопасность все еще требуют дальнейшей проверки.

Модульный блокчейн решает "невозможный треугольник"

"Невозможный треугольник" блокчейна указывает на то, что блокчейн сеть трудно одновременно достигнуть оптимального состояния по трем основным атрибутам: безопасности, децентрализации и масштабируемости.

• Масштабируемость касается способности сети обрабатывать большое количество транзакций и поддерживать эффективную и низкозатратную работу при росте числа пользователей и объема транзакций. Обычно измеряется через TPS (количество транзакций в секунду) и задержку (время, необходимое для подтверждения транзакции).

• Безопасность касается затрат и сложности защиты сети Блокчейн от атак. Например, механизм POW биткойна требует, чтобы злоумышленник контролировал более 51% вычислительной мощности всей сети, в то время как механизм POS эфира требует, чтобы более ⅓ узлов сговаривались.

• Децентрализация описывает работу сети, которая не зависит от единого центрального узла, а распределена среди множества узлов; чем больше узлов и чем шире географическое распределение, тем выше степень децентрализации сети.

Основная идея "невозможного треугольника" заключается в том, что блокчейн-системе трудно оптимизировать по всем трем характеристикам. Например, среди множества публичных блоков Биткойн и Эфириум выделяются своей широкой распределенностью узлов и достаточным количеством узлов, демонстрируя выдающиеся результаты в области децентрализации и безопасности.

Однако они жертвуют определенной масштабируемостью, что приводит к медленной скорости транзакций и высоким комиссиям: время создания блока биткойна составляет около 10 минут, а TPS эфириума составляет примерно 13. При резком увеличении объема транзакций комиссии эфириума могут достигать сотен долларов.

В таких условиях появилась модульная блокчейн-технология, которая решает проблемы традиционных публичных цепочек, связанные с масштабируемостью и стоимостью транзакций, распределяя различные функции по специализированным модулям. Например, сеть Lightning Bitcoin и технология Rollup Ethereum являются проявлением модульного мышления.

Преимущества модульного блокчейна заключаются в его многоуровневой архитектуре, которая позволяет оптимизировать каждый уровень под конкретные потребности. Уровень данных может сосредоточиться на хранении и проверке данных, в то время как уровень исполнения может обрабатывать логику смарт-контрактов. Эта изоляция не только повышает производительность и эффективность, но и способствует взаимной совместимости между различными блокчейнами, создавая основу для построения открытой и взаимосвязанной экосистемы.

Таким образом, модульная блокчейн-технология предлагает новый путь решения ограничений традиционных публичных блокчейнов. Она обеспечивает более высокую масштабируемость и более низкие транзакционные издержки при сохранении децентрализации и безопасности, что имеет глубокое значение для широкого применения блокчейн-технологий и их долгосрочного развития.

Типы модульного блокчейна

Модульный блокчейн в зависимости от его архитектурных особенностей может быть разделен на различные типы. Среди этих типов уровень доступности данных и уровень консенсуса из-за их тесной взаимозависимости часто проектируются как единое целое. Это связано с тем, что, когда узел получает данные о транзакциях, обычно также одновременно определяется порядок транзакций, что является основой безопасности и неизменности Блокчейн.

Основываясь на этих принципах дизайна, мы можем рассмотреть различные проекты модульного блокчейна с трех сторон: уровень исполнения, уровень доступности данных и уровень консенсуса, уровень расчетов.

Исполнительный уровень: Технология второго уровня

Технология Layer 2, являясь продолжением уровня исполнения в архитектуре блокчейна, является проявлением концепции модульного блокчейна. Она стремится повысить масштабируемость основной цепи, создавая сети, системы или технологии за пределами базового блокчейна.

Решения второго уровня позволяют более быстрое и экономически эффективное обработка транзакций, при этом сохраняя безопасность и децентрализованные характеристики базового блокчейна. Согласно данным панели, можно увидеть, что доля газа, расходуемого на верификацию и расчеты второго уровня в экосистеме Ethereum, в среднем составляет менее 10%, что значительно экономит транзакционные расходы пользователей.

Технология Rollup является самым распространенным решением Layer 2 на данный момент, ее основная идея заключается в "исполнении вне цепи, верификации на цепи", где вычисления и другие работы выполняются вне цепи, а затем данные calldata загружаются обратно в основную сеть.

Внецепочечное выполнение

В модели Rollup транзакции выполняются вне цепи, а основная Блокчейн отвечает только за проверку доказательства транзакций в смарт-контрактах и хранение исходных данных транзакций. Эта схема значительно снижает вычислительную нагрузку на основную цепь, уменьшает потребность в хранении, что позволяет более эффективно обрабатывать транзакции.

Чтобы进一步 снизить затраты, Rollup использует технологию упаковки транзакций. Это можно сравнить с контейнеризацией грузов в логистике, так как отправка каждой единицы груза отдельно приводит к высоким транспортным расходам. Технология Rollup, упаковывая несколько транзакций в одну, требует только одной "транспортировки", значительно снижая стоимость каждой транзакции.

Онлайн верификация

Онлайн-проверка является ключом к безопасности сети Layer 2. Сеть Layer 2 должна предоставлять криптографические доказательства для решения потенциальных разногласий на базовом Блокчейн. В настоящее время существуют две основные механизмы доказательства: доказательство ошибки и доказательство действительности, которые соответственно поддерживают Optimistic Rollups и ZK Rollups.

Доказательство ошибки Оптимистичных Роллапов

Оптимистичные Роллапы предполагают оптимистичную гипотезу, согласно которой все транзакции по умолчанию считаются действительными, если нет явных доказательств ошибок. Эта модель полагается на доказательства ошибок в течение периода оспаривания (доказательства мошенничества), любой участник сети может представить доказательства, чтобы оспорить состояние смарт-контракта, что обеспечивает справедливость и прозрачность сети.

В настоящее время существует 16 Layer 2, использующих механизм Optimistic Rollups, таких как: Arbitrum, OP, Base, Blast и так далее.

Доказательство эффективности ZK Rollups

В отличие от Optimistic Rollups, ZK Rollups используют более осторожный подход, требуя, чтобы все транзакции проходили проверку перед их принятием. Этот механизм проверки аналогичен процессу валидации, который гарантирует, что каждая транзакция и вычисление в сети второго уровня являются точными.

Короче говоря, доказательство действительности является основой ZK-Rollups, требуя, чтобы каждая партия транзакций была сопроводена соответствующим доказательством, что обеспечивает возможность проверки и утверждения изменений состояния смарт-контрактами на базовом блокчейне. Для валидирующих узлов ZK Rollups предоставляют механизм расчетов без ошибок, так как каждая транзакция должна пройти строгую проверку действительности.

В настоящее время существует 11 Layer 2, использующих механизм ZK Rollups, таких как: Linea, Starknet, zkSync и т.д.

Слой доступности данных и слой консенсуса

Селестия

Celestia как пионер в области модульных блокчейнов, по сути, представляет собой уровень доступности данных, который предоставляет прочную основу для разработки dApps и Rollup. Разворачивая на уровне доступности данных и уровне консенсуса Celestia, разработчики приложений могут сосредоточиться на оптимизации логики выполнения, оставляя сложность механизмов доступности данных и консенсуса на обработку Celestia.

Архитектурный дизайн Celestia предлагает разнообразные решения для модульного расширения, его архитектура в основном включает три типа:

• Суверенный Rollup: Celestia предоставляет уровень доступности данных и уровень консенсуса, в то время как уровень расчетов и уровень исполнения реализуются независимыми суверенными цепями.
• Сеттлмент Rollup (например, проект Cevmos): на основе DA и уровня консенсуса, предоставляемых Celestia, Cevmos предоставляет услуги уровня расчетов, в то время как приложение блокчейна выполняет роль уровня исполнения.
• Celestium: Уровень доступности данных отвечает за Celestia, уровень консенсуса и уровень расчета полагаются на мощную сеть Ethereum, а цепочки приложений продолжают сосредотачиваться на уровне выполнения.