Введение
В рамках подготовки образовательного курса “Разработчик смарт-контрактов” (подробности в конце этой статьи) мы подготавливаем серию статей и переводы лучших статей про блокчейн платформы третьего поколения, разработку под которые мы и преподаём.
Данная статья поможет всем интересующимся лучше узнать про технические особенности платформ: Cosmos, Polkadot, Avalanche.
Поколения блокчейн платформ
Блокчейн платформы делятся на несколько поколений, каждой поколение имеет свои особенности и решает определенный круг задач.
Первое поколение. Это Bitcoin, Litecoin, ZCash и другие, эти платформы ориентированы на создание децентрализованных денег. И каждая платформа решает эту задачу как-то по своему, например ZCash с сильными свойствами конфиденциальности. Но первое поколение показалось сообществу малофункциональным. Поэтому появилось второе поколение.
Второе поколение. Это Ethereum, Tezos, EOS и другие, которые ориентированы на программируемую логику для создания и управления своими децентрализованными данными и деньгами. Каждая платформа делает это со своими какими-то особенностями. Но с ростом популярности блокчейн платформ второго поколения обострились унаследованные от первого поколения проблемы: производительность, удобство, энергоэффективность, стоимость. Поэтому сообщество разрабатывает блокчейн платформы третьего поколения, которые направлены на решение этих задач.
Стоит отдельно отметить, что сейчас разрабатывается новая версия Ethereum (которую тоже можно отнести к платформам третьего поколения), а также решения второго уровня ( далее по тексту будет обозначаться как Уровень_2), которые направлены на устранение существующих проблем с производительностью платформ второго поколения.
Сегодня мы рассмотрим третье поколение блокчейн платформ - Cosmos, Polkadot и Avalanche, у которых довольно необычные инфраструктуры. Эти платформы нацелены на горизонтальное масштабирование с асинхронной гетерогенной сетевой моделью, где предметноспецифичные блокчейны сосуществуют в рамках общей сетевой модели и при необходимости взаимодействуют друг с другом. У каждой платформы есть свои собственные подходы и компромиссы по достижению межцепочной экономической безопасности. Они нацелены на создание блокчейнового междусетья, которое способно вместить не сотни тысяч (как сегодня), а миллионы активных пользователей в день и полноценно реализовать концептуальное видение Web3, принадлежащего и контролируемого пользователями.
Цель этой статьи - помочь разработчикам, исследователям, предпринимателям и всем, кто стремится к децентрализованному будущему, понять эту смену парадигмы в блокчейн сетях.
Трудности и ограничения
Сначала мы рассмотрим трудности и ограничения, которые почувствовала индустрия с ростом популярности криптоэкономики. А затем используем их для сравнения блокчейн-платформ третьего поколения.
Энергоэффективность: для нормального функционирования открытой децентрализованной сети компьютеров ее независимые участники должны прийти к согласию (согласие - консенсус) относительно общего состояния. При этом сеть должна оставаться отказоустойчивой и сохранять согласованное состояние, несмотря на возможную противоречивую информацию или целенаправленные действия злоумышленников (Византийская отказоустойчивость). Для противодействия Атаки Сивиллы (случай когда зложелатель создаёт множество сущностей и окружает жертву) в блокчейн сетях применяется подход известный как Доказательство-Работы (proof-of-work, который был впервые представлен Синтией Дворк в 1992 году для борьбы с нежелательной почтой). Этот подход требует от участников использования огромных вычислительных мощностей, которые плохо сказываются на мировой экологии. Поэтому блокчейны на основе такого подхода, для обеспечения безопасности своих сетей требуют значительных экономических затрат. Поэтому новые блокчейн-платформы используют альтернативный механизм Доказательство-Доли (proof-of-stake) для допуска Подтверждающих (на сленге - валидаторы, на английском - validators), которые замораживают часть своих токенов, чтобы стать участником консенсуса. Этот вклад должен быть достаточно большим, чтобы злонамеренные действия были в достаточной степени дестимулированы. На самом деле, в proof-of-stake и proof-of-work действует аналогичный эффект масштаба: стоимость работы узла подтверждающего переходит от OPEX (операционные расходы компьютерных ферм) к CAPEX (альтернативная стоимость капитала).
Задержка транзакций: Bitcoin, Ethereum и их разновидности используют консенсус Сатоши Накамото, который требует ожидания создания нескольких блоков для большей, но вероятностой невозможности отмены транзакций. В результате цепочки созданные на основе консенсуса Накамото имеют высокую доступность, но низкую скорость транзакций из-за вероятностной природы завершенности транзакций. Для достижения более быстрого завершения многие блокчейн-платформы используют консенсус Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT), у которого есть свои недостатки, основным из которых является количество подтверждающих - чем больше количество подтверждающих, тем медленнее работает консенсус. Тут выбор или безопасность или быстродействие.
Пропускная способность: объем вычислительной работы, который может быть выполнен в секунду в распределенной компьютерной сети, - это пропускная способность. Этот параметр определяет, насколько сеть может расти. Часто используемая метрика "транзакций в секунду" вводит в заблуждение, поскольку транзакция может относиться к простому переводу или сложному финансовому расчету; они требуют разного объема вычислительных мощностей. Реалистичная пропускная способность, как функция участников сети, - это количество вычислительной работы в секунду, с которой может справиться сеть. Для достижения общей высокой пропускной способности в проектах используется либо стратегия вертикального масштабирования, то есть требуются высокопроизводительные вычисления для узлов и оптимизация программного обеспечения узлов, либо стратегия горизонтального масштабирования, то есть параллельная обработка данных путем разделения сети на несколько частей.
Стоимость транзакции: блокчейн должен найти способ ограничить количество транзакций, иначе сеть узлов, на которых работает блокчейн, будет уязвима для атак типа "отказ в обслуживании". Чтобы обойти это ограничение, Bitcoin позволяет использовать ограничения языка сценариев, Ethereum взимает плату за транзакции на основе учета газа для выполнения смарт-контрактов. Проблема в том, что независимо от того, выполняете ли вы простой перевод или сложный расчет в рамках транзакции, все они обрабатываются в одной и той же сети. В результате, когда трафик сети увеличивается, плата за транзакции возрастает даже за простые действия, поэтому использование цепи становится эксклюзивным для тех, у кого большие кошельки. Сборы за транзакции выплачиваются майнерам в качестве стимула для приоритетного проведения транзакций. Если в Bitcoin плата за транзакции будет служить единственным стимулом после того, как эмиссия достигнет лимита в 21 миллион, то в Ethereum ее единственной целью является установление приоритета транзакций. Сжигание платы за транзакции - это механизм, набирающий обороты в новых платформах, и совсем недавно Ethereum тоже начал частично сжигать плату, чтобы по мере роста активности сети все держатели токенов получали выгоду от увеличения дефицита.
Уровень децентрализации: вопреки распространенному мнению, уровень децентрализации Bitcoin и Ethereum на самом деле низок из-за концентрации пулов майнеров (90% хэшрейта Bitcoin контролируется 11 пулами майнеров, а 90% хэшрейта Ethereum - 16 пулами майнеров). По мере увеличения стоимости майнинга при консенсусе Накамото становится сложнее успешно добывать блок, и мощность для управления сетью объединяется, тем самым концентрируясь на нескольких майнерах.
Справедливое распределение: Как блокчейн проекты распределяют доли собственности (токены) по мере роста сети с течением времени? Распределение токенов Bitcoin создало взаимосвязанную взаимозависимость между безопасностью блокчейна, экосистемой майнинга и обменным курсом. Это стало моделью для многих проектов: по мере того как майнеры присоединялись к сети, чтобы получить вознаграждение в виде токенов, сеть становилась более децентрализованной и более безопасной, что привлекало все больше людей к ее использованию. По мере роста спроса цена увеличивается, привлекая больше майнеров для обеспечения безопасности сети, замыкая круг. Однако по мере роста стоимости майнинга становится сложнее успешно добыть блок; в результате распределение токенов или мощности для управления сетью объединяется в пул, тем самым концентрируясь на нескольких агрегированных единицах для управления майнерами. Компания Ethereum придерживалась другой стратегии: она предварительно майнила токены, сняла ограничение на общее предложение, продала часть токенов ранним инвесторам и участникам публичной продажи, выделила часть своему фонду для проведения грантов и программ вознаграждения, а также начала со временем вознаграждать майнеров, подобно модели Bitcoin. Вскоре выпуск токенов Ethereum был сконцентрирован на нескольких майнинговых пулах, а крупнейшие держатели токенов стали биржами. В конечном счете, справедливое распределение со временем определяет, кто имеет власть в сети: власть производить блоки (упорядочивать, принимать или цензурировать транзакции), власть разветвлять сеть, власть принимать решения об обновлении протокола, а также власть инвестировать и участвовать в приложениях, работающих в сети.
Управление: изменения в сетевом протоколе оказывают значительное влияние на всех существующих и будущих пользователей, независимо от того, знают они об этом или нет. В Bitcoin и Ethereum предложения по улучшению (BIP, EIP) ведут к обновлению протокола и изменению параметров, которые обсуждаются, решаются, внедряются и применяются основным сообществом экспертов. Если группа майнеров заинтересована в движении в направлении, отличном от большинства, они могут разветвить протокол и основать новую сеть. Кроме того, распределением средств на исследования и разработки обычно управляет центральный фонд, в то время как появляются альтернативы, поскольку сообщества собираются вокруг координации фондов DAO (децентрализованных автономных организаций). Более крупные группы держателей токенов или пользователей на самом деле не имеют права голоса при принятии решений по управлению, поскольку они могут не обладать опытом, интересом или осведомленностью в темах решений. Даже если они имеют право голоса, они могут иметь незначительный эффект по сравнению с крупными держателями токенов, так как голосование обычно проводится по принципу взвешивания токенов. Эта ситуация меняется по мере того, как новые проекты используют сочетание более справедливых механизмов управления на цепочке (например, квадратичное голосование, голосование с блокировкой времени, адаптивное смещение кворума, делегирование голосов, децентрализованные схемы идентификации, позволяющие голосовать одному человеку) и внецепочечных механизмов сигнализации (подписанные голоса на форумах), которые доступны большему числу держателей токенов.
Эти трудности не только сдерживают массовое внедрение децентрализованных сетей, но и вынуждают существующих пользователей продолжать полагаться на централизованные биржи и размещенные кошельки. Нетехническим специалистам слишком сложно регулярно использовать действительно децентрализованные приложения. С другой стороны, существующие пользователи продолжают использовать Ethereum и Bitcoin, потому что не знают об этих проблемах; компании и инвесторы продолжают использовать их, потому что хотят быть там, где есть ликвидность; а ранние участники защищают эти сети, потому что у них большие доли. Но возможен и другой мир.
Сегодня Ethereum вмещает в среднем 500000 ежедневных активных пользователей, в то время как популярное веб-приложение, такое как Twitter, используется 200 миллионами ежедневных активных пользователей (400x от Ethereum), а Facebook имеет почти 2 миллиарда ежедневных активных пользователей (4000x от Ethereum). Пользователи Уровня_2 и Bitcoin еще прибавят к этой статистике пару нулей, но до масштабов веб-приложений еще далеко. Рост - это очень важная задача для открытого децентрализованного интернета, это не проблема завтрашнего дня, а приоритет, который нужно решать здесь и сейчас.
В то время как новая версия Ethereum направлена на устранение проблем роста, а её промежуточные решения Уровня_2 в настоящее время пытаются удовлетворить постоянно растущий спрос, новое поколение платформ Cosmos, Polkadot, Avalanche, обещают по-настоящему децентрализованный интернет. Но сначала мы рассмотрим новую версию Ethereum.
Новая версия Ethereum как экосистема EVM
С момента своего создания новая версия Ethereum менялась, перенимая механизмы из научных исследований, а также из изобретённых новых блокчейн-платформ. В новой версии Ethereum будет использоваться Доказательство-Доли (proof-of-stake), сеть будет разделена на синхронизированные осколки (shards) с целью увеличения общей пропускной способности. Подтверждающие, работающие на одной и той же виртуальной машине Ethereum (EVM), будут назначаться на разные shard (осколки) сети, производить блоки, накапливать различные данные об активности пользователей и синхронизироваться друг с другом с помощью релейной цепочки под названием Beacon. Однако попытка синхронизировать все shards (осколки) означает попытку достичь полной репликации, то есть иметь согласованную копию базы данных на всех узлах. Это проблематично, поскольку смысл расщепления (sharding) в распределенных вычислениях заключается в том, чтобы добиться масштабирования, не реплицируя все данные в общей сети. В синхронной модели или однородной топологии сети, когда один shard - например, популярный shard DeFi - будет использоваться гораздо чаще других, он начнет испытывать те же проблемы со скоростью, стоимостью и масштабированием. Кроме того, возникает новая проблема эффективной синхронизации данных между shards.
В то время как переход Ethereum на новую версию, как говорят, будет полностью завершен через год или около того, были запущены так называемые решения Уровня_2 - свертки (чаще используется слово - rollup, роллап) (Optimistic, zkSync), плазмы (plasma) и каналы состояния (state channel) - для обеспечения эффективности и скорости растущего спроса на Ethereum. Дилемма заключается в том, что модели доверия Уровня_2 имеют либо промежуточных центральных операторов, что снижает децентрализацию и устойчивость к цензуре, либо множество стимулированных операторов (например, Polygon построен на Tendermint и работает на нескольких Подтверждающих, Matter Labs стремится к сети Подтверждающих с zkSync), что сродни тому, чтобы быть еще одним децентрализованным блокчейном со своим собственным токеном (например, MATIC) и в конечном итоге конкурировать с Первым Уровнем. Следовательно, эти архитектуры с одной цепочкой столкнутся с той же проблемой стоимости транзакций по мере того, как к ним будет присоединяться все больше пользователей.
Модульная конструкция блокчейна
Недавно Ethereum принял новую стратегию, названную rollup-центричной дорожной картой, которая позиционирует Ethereum как Уровень_1 для доступности данных и проекты Уровня_2 для вычислений. Другими словами, Ethereum хочет стать базовым уровнем, гарантирующим доступность данных и обеспечивающий безопасность rollup. В результате Ethereum принимает концепцию EVM-блокчейна для вычислений, независимо от того, доминирует ли один rollup или сосуществуют несколько rollup (см. статью Виталика Бутерина "Эндшпиль"). Фактически, эта стратегия вписывается в развивающуюся модульную конструкцию блокчейна, где блокчейн может передавать доступность данных или исполнение другим блокчейнам. Обобщенная модель для этой стратегии разработана компаниями Celestia и EigenLayr. Более того, новая стратегия Ethereum напоминает модели совместной безопасности, уже используемые в Polkadot и Avalanche.
С другой стороны, поскольку Cosmos, Polkadot, Avalanche имеют мосты к Ethereum по крайней мере на одной из своих EVM-совместимых цепочек, их иногда помещают в "Уровня_2", но эти проекты часто называют себя Уровнем_0, поскольку они предоставляют инфраструктуру для создания взаимосвязанных блокчейнов Уровня_1.
Cosmos, Polkadot, Avalanche
Cosmos, Polkadot, Avalanche нацелены на горизонтальное масштабирование с помощью асинхронной гетерогенной сетевой модели, где блокчейны для конкретных приложений имеют различные виртуальные машины и при необходимости могут взаимодействовать с другими цепочками. Эти инфраструктурные платформы предоставляют возможности для создания собственных блокчейнов, что позволяет значительно расширить возможности при проектировании децентрализованных приложений и разработки новых активов. Запуск проекта как собственной цепочки вместо набора смарт-контрактов имеет три фундаментальных преимущества:
Изоляция производительности: изоляция вашей сети от других сетей гарантирует, что на работу ваших пользователей не повлияет несвязанная высокая активность в сети, поэтому она обеспечивает более высокую производительность, и вы можете подключаться к другим сетям, когда это необходимо.
Предсказуемая и настраиваемая плата: плата во всеобщей сети не находится под вашим контролем. Высокая активность некоторых приложений в сети может увеличить плату, которая будет произвольной для вашего приложения. Наличие настраиваемой структуры платы позволяет вам иметь предсказуемую плату и устраняет инфраструктуру между приложениями и их пользователями. Вам не нужны ATOM, DOT или AVAX, чтобы использовать специфические для приложения цепочки. Отсутствие необходимости заставлять пользователей использовать инфраструктурный токен для оплаты услуг имеет решающее значение для массового внедрения.
Настраиваемые Подтверждающие: Настраиваемые правила и требования к Подтверждающим ориентируют вашу цепочку на специфические потребности конкретного домена. Подтверждающие вашей сети могут соответствовать требованиям определенных юрисдикций (например, ЦФА в РФ, GDPR в ЕС), иметь высокие требования к производительности оборудования или иметь определенные доказательства для получения статуса Подтверждающего.
Эти сети нового поколения также имеют мосты к Ethereum и к Bitcoin, а мосты друг к другу находятся в стадии разработки, чтобы полностью реализовать видение блокчейнового междусетья.
Cosmos, Polkadot, Avalanche имеют существенные различия на уровне протокола (например, механизм консенсуса, топология экономической безопасности), которые влияют на характеристики платформы (например, межцепочное взаимодействие, экономику токенов, типы возможных приложений) и способы масштабирования сетей (например, участие подтверждающего, присвоение долей). Приведенное ниже сравнение призвано помочь разработчикам, предпринимателям, исследователям и всем, кто рассматривает вопросы создания инфраструктур нового поколения. Это сравнение поможет понять различия между этими архитектурами и понять компромиссы, на которые пошли разработчики.
⛓ Механизм консенсуса
Безопасная и последовательная репликация состояния базы данных в открытой сети достигается с помощью механизма консенсуса. При этом сеть должна оставаться отказоустойчивой несмотря на недостоверную информацию или действия злоумышленников. Практическая Византийская Отказоустойчивость (PBFT), используемая в Cosmos и Polkadot, требует, чтобы все участвующие узлы общались друг с другом, поэтому сеть соглашается с проверяемым состоянием с абсолютной уверенностью. Такая сеть имеет низкую задержку и быстрое завершение, но не может расти на большое количество участников (подтверждающих блоки) в глобальной сети, поскольку нагрузка на каждый подтверждающий узел возрастает экспоненциально по мере увеличения объема работы по проверке. Bitcoin ввел механизм консенсуса по самой длинной цепочке (консенсус Накамото), который обеспечивает вероятностную окончательность и астрономически низкую частоту ошибок. Он позволяет создать надежную и растущую со временем сеть, но он при этом она будет очень медленной.
В Cosmos используется консенсус Tendermint PBFT, который обеспечивает быстрое завершение. Однако, поскольку каждый узел должен общаться друг с другом, он имеет квадратичную сложность передачи сообщений и может завершать один блок за раз.
Polkadot разделяет производство блоков и их подтверждение. Консенсус BABE (вариант Ouroboros Praos) создает блоки-кандидаты, а GRANDPA (вариант PBFT) подтверждает их партиями. Этот гибридный консенсус в определенной степени оптимизирует квадратичную сложность передачи сообщений.
В Avalanche используется Avalanche Consensus - уникальный механизм, сочетающий повторяющуюся субвыборку голосов среди подтверждающих узлов (Snowball) и транзитивное голосование в Directed Acyclic Graph (DAG), вместо линейной цепочки. Поскольку консенсус Avalanche имеет постоянную сложность передачи сообщений, он обеспечивает низкую задержку и большое количество участников в сети. Он имеет вероятностную окончательность, как консенсус Накамото, но при этом он может быть настроен и имеет астрономически низкий процент отказов.
⚡️ Допуск проверяющего
Для обеспечения возможности участия в консенсусе открытой сети и предотвращения использования нескольких идентификаторов одним и тем же лицом (Атака Сивиллы) используется механизм Доказательство-Работы (proof-of-work) или Доказательство-Доли (proof-of-stake). Как и все новые проекты, Cosmos, Polkadot, Avalanche используют Доказательство-Доли (proof-of-stake) из-за его энергоэффективности и возможности обеспечить большую управленческую гибкость при проектирования. В этих сетях также есть проекты, реализующие более легкий механизм Доказательство-Доли (proof-of-work) для справедливого распределения монет.
⏳ Задержка транзакции
Cosmos достигает окончательности за 6-7 секунд.
Polkadot достигает окончательности за 12-60 секунд (создание блока и завершение блока разделены)
Avalanche достигает окончательности результата за секунду. Это вероятностная окончательность, как у Bitcoin, и имеет астрономически низкий процент отказов.
Интересные статьи
Интересные статьи
