Трилемма блокчейна

Блокчейн — это распределенный реестр данных, который поддерживается децентрализованной сетью компьютеров. Технология находит применение в области финансовых операций, идентификации пользователей и кибербезопасности. С ее помощью можно было бы создать систему обмена без участия третьей стороны, если бы технология использовалась гораздо шире и позволяла обрабатывать больше данных, при этом не замедляясь и не утрачивая децентрализованности. Однако ее распространению препятствует так называемая трилемма блокчейна, сформулированная в 2017 году Виталиком Бутериным.

Трилемма блокчейна заключается в том, что в идеале для безупречной работы блокчейн должен обладать такими свойствами, как безопасность, масштабируемость и децентрализация. Однако объединить их в одной системе практически невозможно —по крайней мере, на данный момент. Улучшение одного аспекта часто приводит к ухудшению двух других, например, повышение безопасности может снизить масштабируемость, а более децентрализованная система сталкивается с проблемами обеспечения безопасности.

Это ключевое требование к работе любого блокчейна. Все вполне логично: в системе хранится множество важных данных, и они представляют большой интерес для злоумышленников. Безопасный блокчейн не позволяет нежелательным лицам добраться до ценной информации, однако сделать это совсем не просто. Блокчейны децентрализованы по определению, а значит, не имеют возможности просто закрыть доступ для нежелательных лиц, как это делают централизованные системы. Блокчейн открыт для всех желающих но как тогда защитить хранящиеся в нем данные от вмешательства?

Разные блокчейны обеспечивают безопасность по-разному. Биткойн, например, полагается на комбинацию криптографии и механизма консенсуса Proof-of-Work (доказательство работы):

Блокчейн Ethereum использует Proof-of-Stake — другой механизм консенсуса. Он требует от валидаторов предварительной ставки размером 32 эфира, а для достижения консенсуса нужно, чтобы с состоянием реестра согласились 66% узлов сети.

Безопасность блокчейна тесно связана с двумя другими аспектами трилеммы: децентрализацией и масштабируемостью. Например, обезопасить систему можно за счет увеличения вычислительной мощности в рамках механизма консенсуса PoW. Однако вырастет и стоимость майнинга, к тому же, придется отказаться от менее эффективных майнинговых установок, а это приведет к централизации майнеров. Также это повлияет и на масштабируемость: механизм PoW работает достаточно медленно.

Любой блокчейн начинает работу с небольших объемов, однако создатели криптопроектров ставят перед собой амбициозные глобальные цели, а значит, должны поддерживать растущий интерес криптосообщества и расширяться. Потенциально блокчейны должны быть готовы обслуживать миллиарды пользователей, не теряя при этом высокой скорости транзакций и не увеличивая затрат.

Пропускная способность сети Биткоин (7 TPS (транзакций в секунду) не идет ни в какое сравнение со скоростью работы платежной системой Visa, которая обрабатывает до 65000 TPS. Однако ускорить обработку транзакций без централизации и без ущерба безопасности проблематично. Внутреннее устройство блокчейна Bitcoin предполагает, что информация должна обрабатываться несколькими участниками, а безопасность обеспечивается эффективным, но относительно медленным механизмом консенсуса PoW. Повысить скорость обработки и, следовательно, масштабируемость сети можно, если сократить число сетевых валидаторов, проверяющих транзакции. Но это идет вразрез с принципом децентрализации. Другой способ упростить протокол консенсуса, например, в случае Биткойн снизить сложность майнинга, в случае Эфириума запрашивать консенсус ниже 66%. И то, и другое ставит под угрозу безопасность.

Блокчейн по определению децентрализованная сеть. В ее структуре нет единой организации, выстраивающей процесс, нет одного лица, принимающего решения все совсем не так, как, например, в централизованной банковской системе. Сеть открыта для всех желающих, контроль рассредоточен между всеми участниками, данные доступны всем участникам. Если один изменит данные с целью обмана системы, остальные пресекут эту попытку на месте. Однако из-за того, что согласование достоверности данных происходит при участии широкого круга лиц, транзакции замедляются. К тому же, сильная децентрализация ставит под угрозу безопасность: злоумышленникам легче присоединиться, затеряться в децентрализованной сети и запустить атаку.

На данный момент говорить о решении трилеммы рано, можно лишь рассмотреть различные подходы и результаты, которых они помогли достичь.

Шардинг — метод снижения нагрузки на систему. Блокчейн подразделяется на шарды (в переводе с английского осколки), т.е. мелкие блокчейны, каждый из которых работает с конкретным сегментом данных. Потом транзакций разделяется между отдельными шардами, а центральный блокчейн (beacon, от английского «маяк») координирует их взаимодействие.

Механизм консенсуса PoW часто называют одной из основных причин существования трилеммы. Для его реализации нужны майнеры, криптоалгоритмы, огромные вычислительные мощности все это замедляет работу системы, хоть и делает ее безопасной. Именно по этой причине сеть Ethereum перешла к использованию Proof-of-Stake.

И шардинг, и различные механизмы консенсуса работают потому, что меняют фундаментальную структуру блокчейна. Но для решения трилеммы нужно нечто, что позволит сохранить существующую сетевую структуру, а это так называемые решения уроавня 2: каналы состояний и сайдчейны.

По сути, сайдчейн — это отдельный блокчейн, подключенный к основной цепочке. Он настроен таким образом, что активы могут перемещаться в него их основного блокчейна и обратно. Работу сайдчейна могут регулировать и другие правила чтобы обеспечить быстродействие и масштабируемость.

Каналы состояний выводят транзакции из главного блокчейна, тем самым снижая нагрузку на уровень 1. Они изолируют часть основного блокчейна, как бы запечатывают ее, чтобы два пользователя могли напрямую, без привлечения других участников.

Все перечисленные выше решения можно считать лишь экспериментальными, а трилемма блокчейна остается одним из самых больших препятствий на пути развития технологии блокчейна. Баланс между тремя принципами установить трудно, но разработчики продолжают исследовать и внедрять инновации, создавая все более устойчивые, эффективные и безопасные децентрализованные системы, способные справляться с требованиями современного цифрового мира.

- - -

BestChange в Telegram:

Бот BestChange | Мини-приложение BestChange

- - -

Приложение BestChange для смартфона:

App Store | Google Play | AppGallery