Skalowanie Ethereum: poszukiwanie rozwiązania

Ethereum, podobnie jak wiele łańcuchów bloków, ma obecnie ograniczoną zdolność przetwarzania transakcji. Pomimo obsługi transferów ETH i tysięcy DApps, zwiększone wykorzystanie spowodowało wolniejsze i droższe transakcje. 

Aby złagodzić wysokie opłaty, sytuacja ta doprowadziła do niepewnych decyzji projektowych, takich jak scentralizowane usługi poza łańcuchem dla rynków NFT. Wprowadzenie EIP 1559 poprawiło szacowanie opłat i zachęty, ale nie poprawiło znacząco skalowalności. … Wyzwanie związane ze skalowalnością jest dobrze rozumiane w popularnym trylemacie blockchain dotyczącym skalowalności, decentralizacji i bezpieczeństwa.

Trilemat blockchain twierdzi, że nie jest możliwe jednoczesne osiągnięcie trzech właściwości: decentralizacji, bezpieczeństwa i skalowalności. Bez poświęcania decentralizacji znacznie łatwiej jest zbudować skalowalny i bezpieczny system, co już udowodnił Web2. Postaw na skalowalność, poświęcając swój mechanizm konsensusu, a otrzymasz bezsensowny, niebezpieczny, zdecentralizowany łańcuch bloków. Rozwiązanie trylematu Blockchain jest niezwykle złożone i stanowi nieustające wyzwanie od ostatniej dekady.

Zwiększanie przepustowości: wiele podejść

Przez lata zajęto się wieloma rozwiązaniami w celu rozwiązania trylematu blockchain Ethereum. Popularną sugestią jest budowanie większych bloków lub bloków na sekundę. Choć może się to wydawać dobrym pomysłem, zwiększa wymagania stawiane węzłom łańcucha bloków i walidatorom/górnikom w celu uzyskania konsensusu, co prowadzi do zwiększonej centralizacji. Spowalnia również reorganizacje, zwiększając zagrożenia bezpieczeństwa.

Alternatywą jest utworzenie łańcucha bocznego w celu zmniejszenia obciążenia głównego łańcucha, jak widać w sieci Polygon. Ten system wymaga kompromisów w zakresie bezpieczeństwa, ponieważ opiera się na słabszym konsensusie niż Ethereum (mniejszy limit rynkowy). Chociaż może to pasować do konkretnych przypadków użycia, często prowadzi do centralizacji i nie rozwiązuje w pełni problemów ze skalowalnością Ethereum. Poza tym wciąż daleko mu do dziesiątek tysięcy wniosków potrzebnych do uruchomienia systemu podobnego do Visy. 

Warstwy 2 i dzielenie: rozwiązania problemów ze skalowalnością Ethereum? 

Sharding i warstwy 2 są powszechnie postrzegane jako najlepsze opcje skalowania Ethereum przy jednoczesnym zachowaniu trylematu blockchain.  

Z jednej strony, dzielenie łańcucha bloków od dawna uważany jest za klucz do skalowalności w świecie blockchain. Była to główna cecha Eth2.0 w 2019 roku wraz z przejściem na schemat podpisu BLS, mechanizmem konsensusu PoS i wdrożeniem eWASM. Z drugiej strony, Warstwa 2 odnotowali szybki postęp dzięki trwającym badaniom nad mechanizmami zwijania. Przyjrzyjmy się obecnemu stanowi tych dwóch konkurencyjnych podejść i temu, co może przynieść ich przyszłość. 

Jak działa dzielenie Blockchain? 

Termin sharding wywodzi się z nauki o bazach danych, w której poziomo dzielimy bazę danych na mniejsze, łatwe do zarządzania części zwane shardami. Każdy fragment jest oddzielną bazą danych zawierającą podzbiór danych. Sharding służy do skalowania baz danych poprzez dystrybucję danych i zapytań na wielu serwerach, umożliwiając bazie danych obsługę większej ilości danych bez konieczności posiadania jednego, wydajnego serwera.

Ten pomysł wykorzystania shardingu w łańcuchach bloków szybko stał się popularny wśród programistów. Blockchain sharding dzieli sieć na mniejsze podsieci zwane shardami, a shardy umożliwiają równoległe przetwarzanie transakcji. W podzielonym łańcuchu bloków każdy fragment jest osobnym łańcuchem, który działa niezależnie. Oznacza to, że każdy węzeł, górnik/walidator może skupić się na danym odłamku, aby stworzyć lokalny konsensus. Po pierwsze, umożliwia równoległe przetwarzanie transakcji. Po drugie, każdy fragment ma mniej transakcji do zarządzania. Brzmi idealnie, więc w czym tkwi haczyk?

Wyzwania związane z dzieleniem na fragmenty: konsensus, komunikacja między fragmentami i bezpieczeństwo

Dzięki shardingowi blockchain nie jest łatwo zdefiniować ogólny konsensus. Jaki jest globalny konsensus sieci? Czy jest to połączenie każdego lokalnego konsensusu? Jak i gdzie zakotwiczyć lokalny konsensus, aby stworzyć globalny konsensus, któremu każdy może zaufać? Odpowiedzi na takie pytania nie są łatwe. 

Kolejnym istotnym wyzwaniem we wdrażaniu shardingu jest komunikacja między shardami. Jeśli chodzi o bazy danych, nie masz tego problemu, ponieważ dane są podzielone na różne fragmenty, co pozwala na ich niezależne odczytywanie lub zapisywanie bez prawdziwych problemów. Jeśli chodzi o odłamki łańcucha bloków wykonujące kod, jest to znacznie bardziej złożone. Każdy fragment musi mieć możliwość uruchamiania własnego kodu, sprawdzania stanu innego fragmentu i wykonywania kodu na innym. To nie jest trywialne. 

Ta trudność dzielenia na fragmenty odnosi się również do problemu bezpieczeństwo. Kwestia ta została zbadana przez ekspertów i uznano, że podatne są różne schematy shardingu wiele nowych form ataków. Po pierwsze, po prostu kwestionuje mechanizm konsensusu. Jeśli masz 10 odłamków, a górnicy są podzieleni na odłamek, przejęcie jednego odłamka jest 10 razy mniej kosztowne niż przejęcie całego łańcucha bloków. Schematycznie atak 51% przekłada się na 5.1%. Jednym z rozwiązań tego problemu jest zmiana mechanizmu konsensusu z Proof of Work na Proof Of Stake. To była główna motywacja przejścia Ethereum na Proof Of Stake.

Na bezpieczeństwo przód, efekt Scalanie była w dużej mierze dyskutowana. Na decentralizacja front, zaktualizowany konsensus Ethereum sprzyjał centralizacji, biorąc pod uwagę, że własność tokena określa kontrolę nad siecią. 

Jeśli chodzi o nowy konsensus Ethereum, kilka parametrów zachęcało do centralizacji:

• Uruchamianie węzła Ethereum nie jest proste i wymaga zasobów i czasu pracy. Po prostu uniemożliwia portfelowi wdrożenie go i uruchomienie na laptopie, a nawet telefonie komórkowym.

• Próg 32 ETH i fakt, że nie można zrezygnować do nieznanej daty, spowodowały łączenie i płynne stakowanie, w którym Lido i giełdy przejęły większość rynku. Obecnie 4 podmioty kontrolują ponad 55% monet postawionych na blockchainie Ethereum (Lido 29.2%, Coinbase 13.1%, Kraken 7.6% i Binance 6.2%).

Podsumowując, blockchain sharding to ciekawy pomysł na zwiększenie skalowalności, ale wymaga złożonej architektury, szczególnie jeśli chodzi o zdefiniowanie ogólnego konsensusu i wdrożenie wydajnego protokołu cross-shard. Wykonano wiele pracy w kierunku tych celów, ale wciąż jesteśmy daleko od ich wdrożenia i wykorzystania wpływu na trylemat blockchain. 

Rollupy na ratunek

Rollupy kompresują wiele transakcji w jedną transakcję do wykonania przez Ethereum, umożliwiając wykonanie wielu transakcji poza łańcuchem z bezpieczeństwem rozliczeń Ethereum. Istnieją dwie główne implementacje tego pomysłu: 

• Optymistyczne zestawienia, umożliwiające użytkownikom wystawianie dowodów oszustwa w przypadku sporu
• ZK-Rollupy, w których sieć L2 wystawia dowody ważności.

Optymistyczne podsumowania i problem z ostatecznością:

Optymistyczne Rollupy zostały zaprojektowane jako najbardziej przypominające EVM Rollupy. Są optymistami, ponieważ zakładają, że użytkownicy nie przesyłają oszukańczych transakcji, umożliwiając bezpośrednie pisanie blockchain. 

Istnieje mechanizm wykorzystujący dowody oszustwa, które walidatory L2 mogą zainicjować w celu sprawdzenia transakcji poza łańcuchem dokonanych w ciągu kilku dni (7 dni w Optimism). Ważny dowód na oszustwo identyfikuje oszukańcze kroki w procesie transakcji, prowadzące do cofnięcia transakcji i kary dla zatwierdzającego walidatora. Poprawia to przepustowość transakcji przy jednoczesnym zachowaniu bezpieczeństwa łańcucha głównego Ethereum. 

Jednak Optimistic Rollupy niosą ze sobą nowe wyzwanie: ostateczność. W przypadku łańcuchów bloków potwierdzone transakcje są uważane za trwałe i nieodwracalne, ale zależy to od mechanizmu konsensusu. Na przykład łańcuchy PoW uznają transakcje za ostateczne, gdy prawdopodobieństwo reorganizacji jest niskie, a transakcje Bitcoin są ostateczne po 6 potwierdzeniach. Dzięki optymistycznym podsumowaniom transakcje można cofnąć po kilku dniach, co stwarza wyzwanie związane z ostatecznością i innym kompromisem.

Inny rodzaj rollupów: ZK-Rollupy

ZK-Rollupy, nazwane ze względu na wykorzystanie przez nie technologii Zero-Knowledge Proof (ZKP), takiej jak SNARKs lub STARKs, to inny typ Rollupów. Ponieważ właściwość Zero-knowledge nie jest w rzeczywistości użyteczna, nazywanie ich podsumowaniem ważności mogłoby być dokładniejsze.

Rollup wykonuje partię transakcji i tworzy dowód ważności, weryfikowany przez inteligentną umowę na blockchainie Ethereum, który potwierdza ostateczny wynik transakcji. Dowód kryptograficzny jest generowany przy użyciu prymitywów kryptograficznych Zero Knowledge. 

Mówiąc szerzej, dowody z wiedzą zerową pozwalają jednej stronie (weryfikatorowi) wykazać posiadanie pewnych informacji innej stronie (weryfikatorowi) bez ujawniania rzeczywistych informacji. Dowódca może być pewny prawdziwości twierdzenia dowodzącego bez poznawania jego treści.

Pierwotnie zaprojektowane z myślą o poufności, ZKRollupy wykorzystują dowody zerowej wiedzy do zupełnie innego celu: kompresji i zaufanego przetwarzania. Dwie wiodące technologie oparte na wiedzy zerowej to zk-STARK (oznacza zwięzły, nieinteraktywny argument wiedzy o wiedzy zerowej) i zk-SNARKs (oznacza zwięzły, nieinteraktywny argument wiedzy o wiedzy zerowej).

Problem z dostępnością danych dla L2:

Jak widzieliśmy, technologie ZKP zapewniają ważność stanu L2, ale sam dowód nie zapewnia dostępu do stanu. Aby zwiększyć przepustowość, wykonywanie jest przenoszone poza łańcuch, ale dane muszą być nadal łatwo dostępne do rekonstrukcji. Aby to osiągnąć, dane transakcyjne są przesyłane jako dane wywołania w Ethereum, aby zapewnić dostępność danych do przyszłej rekonstrukcji. Dane te mogą być również przechowywane w zaufanych zdecentralizowanych magazynach, takich jak IPFS lub Arweave, umożliwiając każdemu rekonstrukcję L2 i wykorzystując wewnętrzne zachęty zdecentralizowanej pamięci masowej. 

Jeszcze lepiej byłoby mieć możliwość przechowywania tych danych w łańcuchu, ale dane służą jedynie do rekonstrukcji stanu/prawdy L2 i nie są wykonywane, co sprawia, że ​​wykorzystanie pojemności łańcucha bloków jest nieefektywne i kosztowne. 

Aby rozwiązać ten problem, twórcy Ethereum zaproponowali dwa EIP: EIP4488 i EIP4844 (powodzenia w unikaniu zamieszania). Pierwszy obniża koszt gazu dla danych połączeń, podczas gdy drugi tworzy nowy typ transakcji dla przechowywania danych L2. Te dane są niezmienne i tylko do odczytu, a EVM nie ma do nich dostępu, a zatem nie można ich wykonać. 

Te EIP są dokładnie tam, gdzie mapa drogowa ZKRollup spotyka się z mapą drogową Execution Sharding, obie proponując tę ​​samą koncepcję do różnych celów. EIP4488 ma na celu przechowywanie podstawowych danych L2, podczas gdy EIP-4844, znany również jako Proto-Danksharding, jest krokiem w kierunku wdrożenia Danksharding i shardingu wykonawczego.

twardość:

Danksharding polega na dzieleniu dużych zbiorów danych na mniejsze części w celu separacji i przetwarzania, często równolegle. Ta metoda jest używana w obszarach dużych zbiorów danych i sztucznej inteligencji, w których zbiory uczące mogą być bardzo duże. 

Proto-danksharding (EIP-4844) nie implementuje shardingu, ale oferuje tańsze przechowywanie danych połączeń, które można shardować. To tańsze przechowywanie danych połączeń znacznie poprawi skalowalność Ethereum na poziomie L2, potencjalnie sprawiając, że sharding stanie się zbędny. 

Proto-moczenie:

Dzięki Proto-danksharding blockchain Ethereum będzie miał nieskalowalne obliczenia i skalowalne dane. A ZkRollups zasadniczo konwertuje te skalowalne dane i nieskalowalne, ale zaufane obliczenia na obliczenia skalowalne.

ZKRollupy w trylemacie blockchain:

ZKRollupy mają duże zalety skalowalności bez zmiany podstawowych właściwości łańcucha bloków. Głównym wymaganiem jest weryfikacja dowodu zerowej wiedzy w łańcuchu, podczas gdy dostępność danych można wdrożyć poza łańcuchem. Na dłuższą metę można się spodziewać, że warstwy 1 staną się proste, bezpieczne i miejmy nadzieję zdecentralizowane, podczas gdy warstwy 2 zapewnią skalowalność.

Gdzie jest haczyk?

L2 rzeczywiście może dużo skalować. Niemniej jednak, aby zostać rozliczonym w łańcuchu (na L1), należy przedstawić dowód ważności dla ogólnego stanu L2, co powoduje problemy z centralizacją. Obecnie projekty L2 mają tylko jeden dowód, co oznacza, że ​​mogą cenzurować Twoje transakcje. Nie mogli tak naprawdę zamrozić zasobów L1, ponieważ budowane są natywne mosty. Trwają badania mające na celu sprostanie temu wyzwaniu, umożliwiając innym stronom emitowanie dowodów, ale pozostają pewne trudne pytania dotyczące arbitrażu między tymi dowodami. We wszystkich przypadkach jest to ważny problem do rozwiązania na przyszłość. 

Starknet zidentyfikował to jako ważny temat na mapie drogowej, podczas gdy Arbitrum dzieli odpowiedzialność między skrzynkę odbiorczą sekwencera i skrzynkę odbiorczą opóźnioną aby zapewnić możliwość odzyskania środków w przypadku cenzury.

Myśli końcowe 

Jak sprawdziliśmy, skalowalność może kosztować bezpieczeństwo i decentralizację, podczas gdy rozwiązania warstwy 2 są postrzegane jako najbardziej obiecujące sposoby na zwiększenie skalowalności bez uszczerbku dla innych aspektów trylematu blockchain.

Optymistyczne i sprawdzalne pakiety zbiorcze, wykorzystujące technologię ZKP, będą miały kluczowe znaczenie w kształtowaniu przyszłości Ethereum, umożliwiając transakcje bez zaufania, złożone i bez uprawnień na dużą skalę. Ważność Rollupów ma znaczącą przewagę nad Optimistic Rollups: krótki czas trwania. Mapa drogowa Ethereum została ostatnio zmieniona, aby wspierać te zestawienia na poziomie łańcucha bloków.

Przyszłość skalowalności łańcucha bloków obejmuje złożone aplikacje DApp działające w warstwie 2 (lub rekurencyjne pakiety zbiorcze), umożliwiające praktycznie nieskończoną skalowalność, przy zapewnieniu zdecentralizowanej i bezpiecznej warstwy 1. W dłuższej perspektywie warstwa 1 może stać się warstwami osadniczymi, a złożoność DApps zostanie przeniesiona do warstw 2.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://www.ledger.com/blog/on-the-future-of-ethereum-charles-guillemet