Масштабирование блокчейнов. Осмысление модульности блокчейна

В основе теории модульности блокчейна лежит тезис о том, что основные функции современных блокчейнов - исполнение, расчеты, доступность данных и консенсус - должны быть дезагрегированы и разбиты на различные уровни или сети, что позволяет вносить коррективы и максимизировать эффективность каждого из них, не жертвуя при этом верностью ни одного.

Концепция трилеммы блокчейна предполагает, что значительное увеличение масштабируемости блокчейна обязательно приводит к ухудшению либо децентрализации, либо безопасности. Эта концепция доказала свою правоту.

Разработка масштабируемых блокчейнов путем удаления основных функций вместо их репликации по уровням, концентраторам, сегментам, парачейнам, подсетям и т. д. является относительно новой концепцией. Функции сетевого консенсуса и доступности данных отделены от расчета и выполнения транзакций. Т.е., цепочка LazyLedger только гарантирует, что данные блока доступны и упорядочены, в то время как отдельный уровень приложения запрашивает эти данные, а затем выполняет действительные транзакции в другой цепочке.

4 основные функции блокчейна

Исполнение - процесс, посредством которого пользовательские транзакции и смарт-контракты определяются, а затем развертываются.
Расчет — функция проверяет достоверность транзакции и определяет, были ли определенные транзакции записаны ошибочно (т. е. не должны ли они быть частью канонической цепочки).
Доступность данных («DA») - функции ведения учета. Как только узлы распространяют транзакцию, они должны сохранить копию транзакции и гарантировать, что другие узлы смогут получить эти данные в течение определенного периода.
Консенсус — это деятельность, посредством которой узлы упорядочивают транзакции в определенном блоке и коллективно определяют, как добавлять новые блоки в цепочку.

Эфириум как монолитный БЧ выполняет все 4 функции в одной сети. Все транзакции и смарт-контракты обрабатываются через среду исполнения, известную как виртуальная машина Ethereum («EVM»). Данные о завершенных транзакциях хранятся в структурах данных Merkle Patricia Trie . Правило выбора форка LMD GHOST диктует урегулирование конкурирующих блоков или противоположных взглядов на состояние блокчейна. Механизм консенсуса с доказательством доли, известный как Gasper, обеспечивает соблюдение правил относительно того, как предлагаются новые блоки и какие заинтересованные стороны сети имеют право участвовать в процессе создания сетевого консенсуса.

Модульный блокчейн отличается от монолитной цепочки тем, что одна или несколько из этих четырех функций вынесены на отдельный уровень.

Одним из уникальных методов, используемых уровнями DA для увеличения масштабируемости блокчейна на порядки без увеличения емкости узла, является выборка доступности данных («DAS»). DAS опирается на выборку случайных фрагментов данных внутри блока, а не всей совокупности. самого блока.

DAS представляет новый способ масштабирования DA на блокчейнах. Вместо того, чтобы разбивать транзакционную нагрузку на разные мини-блокчейны, называемые шардами, для параллельной обработки транзакций, что создает значительную сложность сети и накладные расходы на координацию, и вместо того, чтобы перемещать транзакционную нагрузку за пределы цепочки, полагаясь только на базовый уровень для В целях расчетов, что снижает безопасность, уровни DA, оптимизированные с помощью DAS, могут масштабироваться, полагаясь на относительно простые предположения о математической вероятности и статистической достоверности. В сочетании с другими криптографическими примитивами, такими как стирающее кодирование , DAS повышает доступность данных без увеличения требований к ресурсам узла.

Модульные БЧ
- - Ethereum: Danksharding
- - Celestia

Комитеты доступности данных (Data Availability Committees)

Вместо того, чтобы публиковать пакеты данных транзакций в цепочке на отдельный уровень DA или монолитный блокчейн, уровни исполнения могут разместить свои данные в разрешенной сети компьютеров, также называемых узлами. Операторы узлов несут ответственность за хранение копий опубликованных данных и предоставление их узлам исполнительного уровня по запросу. По сравнению с решениями DA, описанными выше, эти комитеты доступности данных («DAC») легче реализовать, поскольку они требуют координации только между несколькими уполномоченными организациями. Однако DAC меньше по размеру и поэтому уязвимы для цензуры или централизованных точек сбоя. Они часто связаны с валидиумами, которые представляют собой типы объединений, в которых данные отправляются вне цепочки в DAC, а не на выделенный уровень DA. Такая установка ослабляет гарантии DA, но может представлять собой самый дешевый и наиболее настраиваемый вариант запуска накопительного пакета без использования общедоступной инфраструктуры БЧ. DAC являются временным решением для недорогих объединенных транзакций вместо надежного уровня DA в цепочке.

DAC проекты - StarkEx, zkSync, Arbitrum Nova

Роллапы для выполнении транзакций и смарт-контрактов

минимизируют рост состояния, полагаясь на отдельный уровень DA для ввода транзакций и упорядочения. Они также специализируется на сжатии данных, чтобы минимизировать затраты на оплату уровня DA за размещение данных транзакций через специализированных производителей блоков, известных как секвенсоры.

Наиболее распространенным типом являются роллапы смарт-контрактов, в которых Ethereum используется не только как уровень DA, но и как уровень расчетов. Недостатки - низкие цензуроустойчивость и децентрализация. Проекты - Arbitrum, Optimism, Base, zkSync, Polygon zkEVM и Scroll zkEVM

Суверенные роллапы

лучше подходят для отдельных приложений и полагаются на свою собственную одноранговую сеть компьютеров, также называемую узлами, для проверки обновлений балансов счетов и состояния блокчейна. Такие роллапы имеют возможность выполнять обновления и изменять правила перехода состояний независимо от уровня DA. Недостаток- фрагментация ликвидности активов. Проекты, работающие над протоколами совместимости для решения проблемы фрагментации ликвидности, включают Polymer Labs и Catalyst

Роллапы для расчетов

оптимизированы для расчетов по транзакциям и блокам сводных данных, а также публикации данных на желаемом уровне DA. Уровни выполнения для конкретных приложений, построенные поверх расчетных слоев, также называемые уровнями 3 (L3), естественным образом конкурируют с децентрализованными приложениями, запускаемыми непосредственно на смарт-контрактах и роллапами общего назначения.

Преимущества развертывания роллапа L3 по сравнению с децентрализованным приложением на L2:

• Уровни L3 обладают большей гибкостью при разработке среды выполнения для развертывания кода смарт-контракта.
• L3 не нужно тратить ресурсы на создание собственной модели консенсуса или платить комиссию дорогостоящему уровню DA для достижения сводного расчета.
• L3 может обеспечить более высокий уровень масштабируемости, чем другие типы роллапов, поскольку разработчики могут выделять сетевые ресурсы исключительно для выполнения кода смарт-контракта.

Теоретически, чем более модульными являются функции БЧ, тем больше разработчики блокчейна могут оптимизировать эффективность и масштабируемость конкретных основных функций, таких как выполнение транзакций или расчетов. Однако степень, в которой разделение урегулирования и исполнения принесет значительную пользу разработчику и конечному пользователю, остается неясной. Кроме того, хотя уровни расчетов упрощают настройку среды выполнения для конкретного варианта использования, будь то игры или разработка приложений, они, как и суверенные роллапы, должны полагаться на собственный механизм консенсуса для расчета транзакций. Таким образом, децентрализация роллапов расчетов и степень, в которой они могут работать на нескольких уровнях DA с минимальным доверием, являются определяющим фактором для гарантий безопасности L3, построенных на основе роллапов расчетов. Примеры проектов: Eclipse, Caldera и Dymension.

SDK роллапов

SDK роллапов предоставляют пользователям разные наборы инструментов для смешивания (mixing) и сопоставления (matching) роллапов.

Проекты Rollkit и Sovereign Labs.

MEV в модульном мире

В модульном блокчейне MEV, скорее всего, будет относиться к уровню, на котором происходит упорядочивание транзакций и построение блоков, то есть к уровню расчетов.

Чтобы предотвратить специализацию децентрализованной сети секвенсоров, деятельность по созданию блоков, скорее всего, будет вынесена на отдельный уровень, например, как были созданы специализированные оффчейновые торговые площадки MEV с помощью MEV- Boost на Ethereum.

Из-за внедрения сторонних производителей блоков в цепочку поставок MEV на Ethereum, а в будущем они появятся в роллапах, существует риск централизации среди производителей блоков. Поэтому усилия по децентрализации создания блоков с помощью технологий конфиденциальности, таких как безопасные анклавы, доверенные среды выполнения, полностью гомоморфное шифрование, пороговое шифрование и многосторонние вычисления, важны для будущего MEV в модульном технологическом стеке блокчейна.

Помимо создания общих блоков, продолжаются усилия по децентрализации секвенсоров роллапов через общие сети секвенсоров. Одним из проектов создания общей сети является Astria . Идея общей сети секвенсоров аналогична идее повторной ставки в том смысле, что обе они мотивированы пониманием того, что создание децентрализованной сети участников трудно воспроизвести, и для ее развития требуется много времени. Вместо совместного использования валидаторов для защиты нескольких уровней DA общие секвенсоры обеспечат общую безопасность и устойчивость к цензуре в нескольких объединениях. Помимо общей сети секвенсора, существует возможность секвенирования, то есть упорядочения транзакций в сводном виде, которое будет напрямую передано операторам узлов уровня DA. Это идея, лежащая в основе роллапов. В этом сценарии валидаторы блокчейна L1 по-прежнему будут основным получателем доходов MEV. То, где происходит упорядочение пользовательских транзакций, важно для понимания того, где MEV будет накапливаться в стеке модульных технологий блокчейна. Такие проекты, как Skip и Anoma , создают настраиваемые аукционные площадки MEV, предназначенные для независимых роллапов, где роль секвенсора не распределяется и не передается на уровень DA.

Задержка и совместимость в модульных блокчейнах

Разделение основных функций блокчейна на несколько уровней приводит к задержке завершения транзакции. Окончательность в этом контексте означает, что транзакция в роллапе считается необратимой. В Ethereum окончательность транзакции определяется квалифицированным большинством голосов активных валидаторов в течение двух эпох, что составляет примерно 12 минут. В контексте модульного блокчейна существуют разные уровни завершения транзакции, поскольку данные транзакции перемещаются с уровня исполнения на уровень DA. В конечном итоге окончательность транзакции будет зависеть от базового уровня DA и его механизма консенсуса, а также от времени блока. После того, как секвенсор роллапа объединяет транзакции в блоки и отправляет их на уровень DA, завершение этих транзакций зависит от того, насколько быстро операторы узла DA обрабатывают объединенный блок (bundle) в цепочке.

Как только данные о транзакциях передаются на уровень DA, транзакции считаются окончательными и обратимыми только в том случае, если безопасность базового уровня DA оказывается под угрозой и уровень DA становится уязвимым для реорганизаций блоков. Чтобы уменьшить задержку, возникающую из-за необходимости фиксации блоков роллапов на отдельном уровне DA, разработчики блокчейна исследуют методы поддержки предварительного подтверждения блоков роллапов даже до того, как блок будет успешно зафиксирован на уровне DA.

Эти методы включают, помимо прочего:

• Для роллапов, в которых расчет транзакций происходит на отдельном от уровня DA уровне, существует возможность гарантировать мягкую завершенность сводных транзакций до их публикации на уровне DA, который основан на консенсусе между операторами узлов на общем уровне расчетов или независимом роллапе.
• Другое решение, связанное с предварительным подтверждением, предполагает требование к секвенсорам публиковать обеспечение (collateral), которое может быть оштрафовано, если секвенсор не сможет успешно отправить блок на уровень DA по истечении определенного периода. В частности, проекты объединения расчетов ориентированы на эти решения в дополнение к функциональной совместимости роллапов.

Одним из основных преимуществ роллапов, использующих один и тот же уровень расчетов и уровень DA, является совместимость посредством общего времени блокировки и, следовательно, общего времени до завершения транзакции. Преимущества компонуемости между роллапами в модульном технологическом стеке блокчейна являются самым сильным аргументом в пользу того, почему конкуренция между уровнями DA и уровнями расчетов становится победителем в любой динамике, подобно конкурентной среде между монолитными блокчейнами общего назначения. Ethereum сохраняет долю рынка, поскольку разработчикам приложений на Ethereum сложно перемещать свои проекты и конечных пользователей в разные цепочки, сохраняя при этом тот же уровень совместимости и компонуемости с более широкой экосистемой децентрализованных приложений Ethereum. Это будет справедливо для роллапов расчетов и особенно для блокчейнов DA.

Конкуренция среди слоев DA

В будущем, когда может существовать более одного независимого уровня DA и DAC, продолжаются споры о том, будет ли активность пользователей концентрироваться на одном уровне DA или на нескольких. Не всем приложениям или роллапам потребуется одинаковый уровень безопасности, поэтому с течением времени могут сохраняться несколько уровней DA с разной степенью децентрализации. Естественно, запустить уровень исполнения поверх уровня DA с высоким уровнем безопасности будет дороже, чем запуск той же технологии поверх уровня DA с более низкими гарантиями безопасности. Остается неясным, насколько велика будет разница в затратах между уровнями DA. Затраты между уровнями DA будут сильно зависеть от модели консенсуса и денежно-кредитной политики, применяемой в этих цепочках.

Одним из самых простых способов защитить и снизить вероятность спама или атак типа «отказ в обслуживании» в цепочке блоков не требующей доверия является использование комиссий за транзакции. Комиссии дают возможность предлагающим блоки расставлять приоритеты и упорядочивать транзакции внутри блока. Всем уровням DA потребуется механизм комиссий, чтобы лишить уровни исполнения сброса большого количества ненужных транзакций в цепочке. Несмотря на высокую оптимизацию для загрузки значительных объемов данных с помощью таких технологий, как DAS, уровни DA по-прежнему будут ограничены размером блока, который будет диктовать комиссию за публикацию данных транзакций в цепочке. Механизм комиссий также чаще всего будет сочетаться с механизмом консенсуса, который будет определять порядок транзакций внутри финализированного блока, и правилом выбора форка, чтобы определить, какие блоки были или не были включены в каноническую цепочку.

В зависимости от уровня DA механизмы оплаты и протоколы консенсуса могут различаться. Независимо от конкретной денежно-кредитной политики и моделей консенсуса, диктующих работу уровня DA, цель уровня DA — быть устойчивым к реорганизациям цепочки и централизованным точкам сбоя. Чем больше сеть ценностей, построенная на уровне DA, тем выше уровень безопасности должен гарантировать доступность данных транзакций для целей проверки и исполнения. Таким образом, уровень децентрализации и производительность уровня DA будут важны для оценки долгосрочного потенциала этой сети для принятия пользователями и увеличения стоимости в конкуренции с другими блокчейнами, которые также предлагают услуги DA. Остается неясным, как будут развиваться структуры комиссий между различными уровнями DA, особенно с учетом протоколов рестейкинга, таких как EigenLayer, которые могут создать способы перезаложить заложенные активы и, следовательно, расширить безопасность от одного протокола блокчейна к другому.

Управление в модульных блокчейнах

Управление и координация обновлений протоколов в модульном технологическом стеке блокчейна становятся более сложными из-за существования независимых уровней исполнения, опирающихся на данные, отправленные на один уровень DA. Предполагая, что уровни исполнения не полагаются на уровни DA для расчета транзакций, каждый уровень исполнения сохранит свой суверенитет в интерпретации данных транзакций, отправленных на уровень DA, в соответствии со своим собственным механизмом консенсуса. Это дает высокую степень свободы уровням исполнения, позволяющим диктовать изменения на уровне протокола, влияющие на достоверность транзакций отдельно от управления уровнем DA. Однако степень, в которой уровень DA может откатывать транзакции, отправленные в его сеть по любой причине, не так проста. Подобно тому, как изменения в протоколе Ethereum стали более громоздкими с точки зрения управления из-за количества децентрализованных приложений, развернутых в сети, популярные уровни DA, вероятно, столкнутся с теми же проблемами при рассмотрении обновлений на уровне протокола, влияющих на уровни исполнения и создаваемые децентрализованные приложения. поверх этих уровней исполнения.