CO OZNACZA SKALOWANIE W TECHNOLOGII BLOCKCHAIN I DLACZEGO JEST TO TAKIE TRUDNE?

Czym jest skalowanie blockchaina?

Skalowanie w kontekście blockchaina odnosi się do zdolności sieci blockchain do obsługi rosnącej liczby transakcji lub rosnącej bazy użytkowników bez obniżania jej wydajności, bezpieczeństwa ani decentralizacji. Podstawowym celem skalowania jest zwiększenie przepustowości (liczby transakcji na sekundę), zmniejszenie opóźnień i kontrola kosztów związanych z korzystaniem z sieci, zwłaszcza w miarę wzrostu popularności.

Na przykład Bitcoin, pierwotna sieć blockchain, może przetwarzać około 7 transakcji na sekundę (TPS), podczas gdy Ethereum, wiodąca platforma inteligentnych kontraktów, obsługuje około 15–30 TPS. Dla porównania, tradycyjne systemy płatności, takie jak Visa, mogą przetwarzać ponad 24 000 TPS. Ta ogromna rozbieżność pokazuje wyzwanie skalowalności, przed którym stoi technologia blockchain.

Istnieją dwie szerokie kategorie podejść do skalowania:

• Skalowanie w łańcuchu bloków: Wprowadzanie zmian w głównym protokole blockchain w celu umożliwienia większej liczby transakcji na sekundę. Może to obejmować zwiększanie rozmiaru bloku, skrócenie czasu bloku lub modyfikację algorytmów konsensusu.
• Skalowanie poza łańcuchem bloków: Przeniesienie przetwarzania transakcji do systemów pomocniczych lub warstw drugorzędnych, które oddziałują z głównym łańcuchem bloków, ale działają niezależnie, aby zwiększyć ogólną przepustowość.

Efektywne skalowanie powinno zapewniać bezpieczeństwo i decentralizację łańcucha bloków. Stanowi to jednak poważne wyzwanie techniczne, ponieważ zmiany w jednym aspekcie mogą negatywnie wpłynąć na inne, prowadząc do tzw. „trylematu skalowalności”.

Trylemat skalowalności

Trylemat skalowalności, ukuty przez współzałożyciela Ethereum, Vitalika Buterina, zakłada, że ​​systemy blockchain mogą jednocześnie osiągnąć co najwyżej dwie z trzech poniższych cech:

• Decentralizacja: Równy udział niezależnych węzłów bez polegania na centralnych organach.
• Bezpieczeństwo: Ochrona przed atakami i manipulacją.
• Skalowalność: Możliwość wydajnego przetwarzania większych wolumenów transakcji.

Trudność polega na optymalizacji pod kątem wszystkich trzech aspektów. Zwiększenie przepustowości może wiązać się z większymi blokami, co korzystnie wpływa na skalowalność, ale często wymaga to większej mocy obliczeniowej, centralizacji udziału węzłów i osłabienia decentralizacji. Podobnie, dodanie dodatkowych kroków konsensusu może zwiększyć bezpieczeństwo, ale potencjalnie zmniejszyć skalowalność.

Wraz ze wzrostem popularności technologii blockchain w różnych branżach – od finansów po łańcuchy dostaw – rozwiązanie problemu skalowalności staje się kwestią priorytetową. Deweloperzy i badacze aktywnie poszukują innowacyjnych metod skalowania sieci blockchain przy jednoczesnym zachowaniu ich podstawowych wartości.

Dlaczego skalowanie blockchaina jest tak trudne?

Skalowanie sieci blockchain jest z natury trudne ze względu na fundamentalne decyzje projektowe, które priorytetowo traktują decentralizację i bezpieczeństwo. Te zasady projektowania, które oferują jedne z największych korzyści blockchaina – takie jak niezmienność i brak zaufania – tworzą również ograniczenia szybkości przetwarzania i przechowywania danych.

1. Mechanizmy konsensusu

Sercem każdej sieci blockchain jest mechanizm konsensusu, czyli metoda, za pomocą której uczestnicy uzgadniają stan rejestru. Popularne mechanizmy, takie jak Proof of Work (PoW) i Proof of Stake (PoS), wymagają intensywnych obliczeń lub rozproszonej walidacji, aby zapewnić legalność wszystkich transakcji.

Chociaż mechanizmy te chronią przed oszustwami i manipulacjami, wprowadzają również opóźnienia. W przypadku Bitcoina średni czas bloku wynosi 10 minut, co ogranicza szybkość finalizacji transakcji. Zwiększenie rozmiaru bloku w celu upakowania większej liczby transakcji może pomóc, ale jednocześnie obciąża węzły większym obciążeniem danymi, zniechęcając do uczestnictwa i potencjalnie centralizując kontrolę.

2. Propagacja sieci

Kolejną przeszkodą jest czas potrzebny na propagację nowych bloków w całej sieci. W systemach zdecentralizowanych węzły muszą komunikować się w rozproszonych geograficznie obszarach. Propagacja większych bloków zajmuje więcej czasu, co zwiększa ryzyko osieroconych bloków i problemów z konsensusem, co obniża niezawodność i wydajność.

3. Przechowywanie danych i wymagania dotyczące węzłów

Dane blockchain są przechowywane redundantnie na każdym pełnym węźle. Wraz z rozwojem blockchaina rosną również wymagania dotyczące pamięci masowej i przepustowości niezbędnej do uruchomienia węzła. Bez starannego zrównoważenia prowadzi to do mniejszej liczby osób mogących obsługiwać węzły, co ponownie osłabia decentralizację. Na przykład Ethereum wprowadziło propozycje „wynajmu stanu”, aby rozwiązać problemy z nadmiernym przechowywaniem danych, które utrudniają skalowanie.

4. Kompatybilność wsteczna i forkowanie

Wdrażanie ulepszeń skalowalności zazwyczaj wymaga modyfikacji protokołu rdzenia blockchaina. Zmiany te często skutkują „twardymi forkami”, dzielącymi istniejący łańcuch i ekosystem. Może to powodować zamieszanie, fragmentację i utratę konsensusu społeczności. Zachowanie wstecznej kompatybilności podczas wdrażania skalowalnych aktualizacji nadal stanowi poważne wyzwanie.

5. Luki w zabezpieczeniach

Działania skalowania mogą nieumyślnie wprowadzić dodatkowe wektory ataku. Na przykład rozwiązania warstwy 2, takie jak łańcuchy boczne i rollupy, działają częściowo poza łańcuchem i mogą dziedziczyć słabsze założenia bezpieczeństwa niż łańcuch główny. Zapewnienie szerszej skalowalności bez narażania systemu na ataki jest nieustającym problemem dla deweloperów.

Podsumowując, każda próba skalowania rozwiązania blockchain wiąże się z koniecznością znalezienia kompromisów. Niezależnie od tego, czy chodzi o optymalizację protokołów, czy o rozwiązania off-chain, deweloperzy muszą zachować filary blockchain – bezpieczeństwo i decentralizację – jednocześnie poprawiając wydajność w globalnie rozproszonym środowisku. Nie ma jednego rozwiązania pasującego do wszystkich sieci, stąd różnorodność strategii na różnych platformach.

Rozwiązania skalowalności blockchain

Biorąc pod uwagę opisane wyzwania, deweloperzy przyjęli wielopłaszczyznowe podejścia do skalowania sieci blockchain. Rozwiązania te koncentrują się na takich problemach, jak wolumen transakcji, wydajność konsensusu i przechowywanie danych. Można je ogólnie podzielić na metody skalowania on-chain i off-chain, a także modele hybrydowe.

1. Rozwiązania warstwy 2

• Kanały stanu: Pozwalają one dwóm stronom na przeprowadzanie transakcji poza łańcuchem i zatwierdzanie tylko wyniku końcowego w łańcuchu głównym, co znacznie zmniejsza przeciążenie. Przykładami są sieć Lightning Network Bitcoina i sieć Raiden Network Ethereum.
• Plasma i rollupy: Łańcuchy Plasma działają jako półautonomiczne łańcuchy podrzędne, które grupują transakcje przed ich rozliczeniem w łańcuchu głównym. Konwersje (optymistyczne lub z zerową wiedzą) kompresują dane transakcyjne i przetwarzają je poza łańcuchem, jednocześnie przechowując dowody w łańcuchu. Zapewnia to bezpieczeństwo i poprawia przepustowość.

Opcje warstwy 2 są coraz częściej preferowane, ponieważ pozwalają na znaczny wzrost przepustowości transakcji bez zmiany protokołu bazowego.

2. Sharding

Sharding polega na podziale łańcucha bloków na mniejsze fragmenty, czyli „fragmenty”, z których każdy może przetwarzać swoje transakcje i inteligentne kontrakty. Koordynowane przez łańcuch główny, shardy mogą skalować się liniowo wraz z rozmiarem sieci. Ethereum 2.0 przewiduje sharding jako centralną funkcję skalowalności; jednak jego wdrożenie jest złożone i ciągłe.

3. Alternatywne mechanizmy konsensusu

Niektóre nowsze blockchainy wykorzystują modele konsensusu, które z natury oferują lepszą skalowalność:

• Delegated Proof of Stake (DPoS): DPoS, używany przez EOS i Tron, opiera się na ograniczonym zestawie walidatorów, zwiększając prędkość transakcji, aczkolwiek przy zmniejszonej decentralizacji.
• Proof of History (PoH): PoH, używany przez Solanę, umożliwia szybkie sekwencjonowanie transakcji, zwiększając przepustowość.

Mechanizmy te starają się zrównoważyć bezpieczeństwo i skalowalność, choć każdy z nich ma swoje ograniczenia i ryzyko centralizacji.

4. Przycinanie blockchaina i wydajność pamięci masowej

Pełne archiwa blockchainów są obszerne i wymagają dużej pojemności pamięci masowej. Techniki przycinania – usuwanie niepotrzebnych lub historycznych danych – mają na celu ułatwienie węzłom uczestnictwa. Niektóre blockchainy wykorzystują również bezstanowe modele klientów, w których do walidacji potrzebne są jedynie dane o aktualnym stanie, co zmniejsza ogólne obciążenie.

5. Interoperacyjność i łańcuchy boczne

Wykorzystując łańcuchy boczne – równoległe łańcuchy bloków połączone z łańcuchem głównym – obciążenia transakcyjne mogą być rozproszone. Na przykład Polygon oferuje łańcuchy boczne kompatybilne z Ethereum, które odciążają obliczenia i przechowywanie danych. Protokoły interoperacyjności, takie jak Polkadot i Cosmos, ułatwiają transakcje międzyłańcuchowe, tworząc skalowalny ekosystem wielołańcuchowy.

6. Wnioski i dalsze działania

Żadne pojedyncze rozwiązanie nie rozwiązuje problemu skalowalności blockchaina. Postęp ma charakter iteracyjny i często wymaga kompromisów. Wiodące platformy, takie jak Ethereum, stopniowo wdrażają sharding i rollupy, podczas gdy alternatywne blockchainy eksplorują nowe architektury. Tymczasem naukowcy nadal badają innowacje, od rejestrów opartych na DAG po walidację transakcji wspomaganą sztuczną inteligencją.

Ostatecznie, zdolność blockchainów do efektywnej skalowalności zadecyduje o ich szerokim zastosowaniu w globalnym handlu, finansach i nie tylko. Skalowalność pozostaje zarówno przeszkodą techniczną, jak i szansą na przekształcenie infrastruktury cyfrowej za pomocą zdecentralizowanych systemów.