Масштабирование сети Ethereum

Вопрос масштабирования Ethereum — один из самых обсуждаемых с момента запуска сети.

На фоне стремительного роста сегмента децентрализованных финансов (DeFi) и хайпа вокруг NFT стоимость газа остается крайне высокой. Ethereum-экосистема становится все менее привлекательной среди розничных пользователей. Последние все чаще присматриваются к Binance Smart Chain (BSC), Huobi ECO Chain и другим более централизованным платформам с быстрыми транзакциями и небольшими комиссиями.

Апологеты Ethereum возлагают большие надежды на вторую версию платформы. Однако несмотря на успешный запуск нулевой фазы, до заветного шардинга и полноценной работы системы еще далеко.

К счастью, активно разрабатываются и внедряются решения второго уровня, способные значительно улучшить ситуацию с масштабированием Ethereum в кратко- и среднесрочной перспективах.

Существует широкий спектр решений второго уровня (L2) для масштабирования Ethereum. У каждого есть свои преимущества и недостатки.

Виталик Бутерин убежден, что Rollups могут в сотни раз увеличить пропускную способность Ethereum еще до запуска второй версии сети.

В будущем решения второго уровня могут сосуществовать с использующей шардинг PoS-системой Ethereum 2.0, позволяя ей обрабатывать тысячи транзакций в секунду.

Извечная проблема масштабируемости ETH

Ethereum — экосистема с тысячами децентрализованных приложений (dapps), в которой за сутки осуществляется несколько миллионов транзакций. Обратная сторона популярности заключается в том, что чем выше экономическая активность и больше спрос на ETH, тем сильнее конкуренция за весьма ограниченные ресурсы сети, выше стоимость газа и, соответственно, транзакционные издержки пользователей.

В феврале 2021 года средняя комиссия за простой перевод средств достигала $40. Обмен токенов ERC-20 на Uniswap или депозит средств на DeFi-сервис Compound мог обходиться пользователю в $100 и более. С того времени ситуация мало изменилась, несмотря на некоторую стагнацию в Ethereum-экосистеме и хардфорк Berlin, предполагающий изменение алгоритма расчета стоимости газа.

Значительную выгоду из такого положения вещей извлекают майнеры, весомую часть доходов которых составляют транзакционные комиссии.

На фоне сложившейся ситуации популярность стали набирать альтернативные платформы с поддержкой смарт-контрактов — Binance Smart Chain (BSC), Solana и Polkadot.

Общая стоимость заблокированных средств (TVL) в BSC-экосистеме достигла $35 млрд.

Это примерно 60% от текущего показателя «классической» DeFi-экосистемы на базе Ethereum, если не учитывать токенизированные биткоины вроде WBTC и renBTC ($12,16 млрд по состоянию на 15.04.2021).

О высоком спросе на сервисы экосистемы BSC свидетельствует и стремительный рост дневного количества транзакций.

У Ethereum соответствующий показатель ниже, чем у Binance Smart Chain почти в три раза — 1,38 млн против 3,87 млн транзакций в день. Это обусловлено высокой стоимостью газа и все еще актуальной проблемой масштабирования.

Экспоненциальный рост TVL и числа транзакций в экосистеме BSC на фоне стагнации Ethereum — признак интереса многих розничных пользователей к новым платформам и в одночасье их равнодушия к децентрализации и цензуроустойчивости.

Чтобы выстоять в условиях ужесточающейся конкуренции и удержать статус крупнейшей платформы для dapps, разработчикам необходимо повысить производительность Ethereum и снизить комиссии не в ущерб безопасности и децентрализации.

Иллюстрация трилеммы масштабируемости, которая подразумевает сложность создания одновременно быстрой, децентрализованной и безопасной блокчейн-платформы. Зачастую разработчикам приходится выбирать и оптимизировать максимум два компонента из трех.

Чтобы с некоторыми допущениями разрешить извечную трилемму масштабируемости, активно разрабатываются решения, способные без значительного ущерба децентрализации и безопасности кардинально увеличить скорость транзакций [Transactions per second, TPS] и снизить комиссии. Внедрение таких решений призвано оживить экономическую активность и вывести Ethereum-экосистему из стагнации.

Два подхода к решению проблемы

Есть два основных пути решения проблемы масштабирования Ethereum:

Ончейн-масштабирование — изменения в первом уровне системы, где, как и в случае с биткоином, сейчас происходит основная экономическая активность. Пример: переход на Ethereum 2.0, предполагающий смену механизма консенсуса и прочие кардинальные изменения.

Решения второго уровня, работающие поверх блокчейна. Их внедрение не требует внесения изменений в первый уровень системы. L2-решения используют параметры безопасности L1 и прочие уже существующие элементы, включая смарт-контракты.

Базовый уровень Ethereum (L1) в настоящее время способен обрабатывать лишь около 15 TPS. L2-решения могут значительно повысить этот показатель — до 2000-4000 TPS.

Напрашивается вопрос: зачем все эти «костыли» поверх старой системы, которая рано или поздно сольется с новым, гораздо более производительным PoS-блокчейном? На самом деле, решения второго уровня вполне могут сосуществовать с шардингом в рамках Ethereum 2.0, что теоретически позволит обрабатывать в будущем тысячи или даже миллионы транзакций в секунду.

«Как только наступит Фаза 1 и Rollups переместятся в экосистему Eth2 с использованием шардинга для хранения данных, мы поднимемся до теоретического максимума в ~100 000 TPS», — говорится в статье Виталика Бутерина «Rollup-ориентированная дорожная карта Ethereum».

Решения второго уровня

К технологиям масштабирования L2 относятся решения, призванные расширить возможности первого уровня посредством обработки значительной части транзакций офчейн, то есть вне L1. Такие решения могут повысить скорость транзакций, пропускную способность системы и снизить стоимость газа.

Есть немало вариантов L2-масштабирования, у каждого свои преимущества и недостатки. Многие проекты, включая Polygon (в прошлом — Matic), используют сразу несколько из них.

Некоторые решения вроде Optimistic rollups призваны масштабировать сеть уже в кратко- и среднесрочной перспективах. Другие нуждаются в совершенствовании и ориентированы на более долгосрочный горизонт реализации.

L2-решения также можно подразделить на:

Технологии специального применения, ориентированные на конкретную задачу [application-specific]. Это, например, платежные каналы.

Более гибкие решения, подходящие для различных сценариев использования. К ним можно отнести Optimistic rollups.

Рассмотрим детальнее различные подходы к масштабированию.

Каналы

Каналы это одно из первых широко обсуждаемых решений для масштабирования. Они позволяют участникам многократно отправлять друг другу транзакции вне основной сети. Базовый уровень обрабатывает всего две транзакции — открывающую и закрывающую канал.

Такой подход значительно снижает нагрузку на основную сеть — каналы потенциально способны обрабатывать тысячи операций в секунду, обеспечивая высокий уровень безопасности системы.

Однако технологии присущи серьезные недостатки:

Во-первых, каналы не предполагают открытого участия — пользователи должны быть известны заранее, а средства нужно блокировать в мультисиг-контракте. Для создания канала также необходимо время. При этом следует активно мониторить систему, выявляя потенциальных злоумышленников. 

Во-вторых, каналы — решения специального применения, непригодные для приложений со сложными смарт-контрактами.

Выделяют каналы состояния [State channels] и их подтип — платежные каналы. На этой концепции основано известное решение второго уровня Lightning Network, задействованное для масштабирования биткоина.

Мощь каналов состояния используется в проектах Raiden Network, Connext, Perun и Celer. В последнем используется преимущественно технология каналов состояния, но также задействованы сайдчейны, совместимые с Ethereum, Polkadot и NEO.

Plasma

Это еще одно решение второго уровня, изначально предложенное Джозефом Пуном и Виталиком Бутериным.

Plasma использует смарт-контракты и деревья Меркла для создания неограниченного числа дочерних цепей — копий родительской сети Ethereum.

Основной блокчейн разгружают дочерние цепи, открывающие возможность осуществления быстрых и недорогих транзакций.

Дочерние цепи являются некастодиальными и не требующими доверия. Другими словами, пользователи сами контролируют средства, а количество и состав участников не являются предопределенными параметрами. Plasma также свойственен более высокий в сравнении с каналами уровень безопасности.

Один из недостатков решения заключается в длительном периоде вывода средств из L2. Как и в случае с каналами, Plasma не подходит для масштабирования приложений на базе сложных смарт-контрактов. Решение поддерживает лишь простые функции вроде переводов средств и обменных операций.

Проект OMG Network использует собственную имплементацию технологии под названием — MoreViable Plasma. Адаптированная версия решения задействована и в Polygon.

Сайдчейны

Это совместимые с Ethereum независимые блокчейны с собственными моделями консенсуса и параметрами блоков.

Дочерние цепи Plasma схожи с сайдчейнами, однако есть и существенные отличия. Первые опираются на механизмы безопасности Ethereum, работая в не требующей доверия среде. Высокая пропускная способность делает дочерние цепи Plasma оптимальными для платежей.

Сайдчейны — работающие параллельно отдельные блокчейны с собственными токенами. Они двусторонне привязаны к основной сети Ethereum, в которую передают информацию при обновлении состояния реестра.

Интероперабельность с сетью второй по капитализации криптовалюты обеспечивается поддержкой Ethereum Virtual Machine (EVM). Поэтому работающие в базовой сети смарт-контракты могут быть развернуты в сайдчейнах вроде xDai, что делает возможным множество юзкейсов.

Технология относительно развита. В зависимости от варианта реализации, пропускная способность сайдчейнов может достигать 10 000 TPS.

Сайдчейны не предполагают работу в trustless-среде, они недостаточно зрелые в контексте безопасности и не столь децентрализованы в сравнении с Ethereum. Токены сайдчейнов должны сохранять стоимость, быть экономически жизнеспособными.

Rollups

Rollups снижают нагрузку на сеть, группируя транзакции и вынося часть вычислений за пределы Ethereum — в сайдчейны. Rollups также генерируют криптографические доказательства (SNARKs), используемые для включения транзакций в блокчейн и согласования состояний базовой сети и цепи второго уровня.

Есть два основных типа Rollups: ZK-Rollups и Optimistic rollups.

Optimistic rollups работают на базе EVM-совместимой виртуальной машины OVM (Optimistic Virtual Machine). Она способна взаимодействовать с уже существующими в Ethereum смарт-контрактами. Следовательно, повсеместное внедрение Optimistic rollups может стимулировать дальнейший рост DeFi-сектора уже в кратко- и среднесрочной перспективах.

Над Optimistic rollups активно работает проект Optimism, запуск основной сети которого ожидается в июле.

Ранее платформа синтетических активов Synthetix осуществила предварительный запуск решения второго уровня L2 Optimistic Ethereum. Разработчики Uniswap пообещали внедрить технологии от Optimism вскоре после релиза третьей версии децентрализованной биржи, запланированного на 5 мая.

Loopring и Deversifi — примеры децентрализованных бирж, использующих ZK-Rollups. Разработчики zkSync планируют в мае запустить в тестнете EVM-совместимую версию этого решения второго уровня.

Rollups могут сосуществовать со второй версией Ethereum, увеличивая ее производительность и пропускную способность.

Validium

Подобно ZK-Rollups, в этом решении используются доказательства валидности, однако данные не хранятся в основной сети Ethereum. Цепи Validium могут работать параллельно друг другу. Благодаря такому подходу пропускная способность системы может достигать 20 000 TPS. Вывод средств осуществляется без задержек.

Недостатки решения:

ограниченная поддержка смарт-контрактов;

высокие требования к вычислительным ресурсам;

генерирование ZK-доказательств занимает от 10 до 30 минут.

Validium используют проекты Matter Labs и Starkware.

Вышеперечисленные решения можно комбинировать, поэтому многие проекты придерживаются гибридного подхода к масштабированию второго уровня.

Например, Polygon позиционируется как L2-агрегатор и планирует запустить ZK-Rollups, Optimistic Rollups и прочие решения в дополнению к уже работающей Matic PoS Chain и собственной имплементации Plasma. Celer совмещает каналы состояния с сайдчейнами.

Выводы

Последствия пока еще нерешенной проблемы масштабирования сделали Ethereum-экосистему жертвой собственного успеха — чем больше пользователей сети и их активность, тем дороже операции.

Решения второго уровня для масштабирования Ethereum стремительно развиваются, их спектр довольно широк. Новостная повестка последних месяцев и активность различных проектов иллюстрируют сфокусированность сообщества на Rollups и Фазе 1 второй версии Ethereum, где предусмотрен шардинг.

Виталик Бутерин уверен, что Rollups и в меньшей мере Plasma и каналы могут решить проблему масштабирования, по крайней мере в кратко- и среднесрочной перспективах, до полноценного запуска Ethereum 2.0.

Повсеместное внедрение L2 требует адаптации пользователей к новым решениям, внесения существенных изменений в кошельки, оракулы и децентрализованные приложения. Также необходима беспрепятственная кроссчейн-совместимость между различными L2-решениями. Все эти трудности требуют активизации работы над новой инфраструктурой, с особым акцентом на Rollups.

Результаты усилий разработчиков можно будет считать удовлетворительными, если Ethereum плавно перейдет на PoS, сохранив статус лидирующей dapps-платформы.

Источник: mining-cryptocurrency.ru