Как бывший сотрудник Microsoft нашел решение трилеммы масштабируемости блокчейнов

Бывший сотрудник Microsoft и разработчик блокчейна Asensys Ван Цзянпин утверждает, что нашел решение проблемы масштабируемости блокчейнов. Главный принцип его концепции — распределять рабочую нагрузку по всей сети, создав в ней несколько независимо работающих зон. Это позволяет сети Asensys уже сейчас работать в 1000 раз быстрее сети Bitcoin, сохраняя ее уровень децентрализации и безопасности. В будущем сеть сможет обрабатывать до 10 000 транзакций в секунду и обслуживать миллиарды пользователей. Звучит многообещающе, но Asensys — не первый проект с громкими заявлениями. Однако пока у него есть только сайт и неизвестная команда разработчиков. Что такое трилемма масштабируемости блокчейн-сетей, каковы ее возможные решения, как устроен протокол Asensys и какие еще проекты работают в этом направлении — разобрался DeCenter.

Трилемма масштабируемости блокчейнов

Один из основных недостатков современных блокчейнов — масштабируемость. Например, Bitcoin и Ethereum изначально создавались ради децентрализации и безопасности. Это максимально надежно защищенные монеты, но первый блокчейн обрабатывает 3–7 транзакций в секунду, а второй — 20. Чтобы заменить VISA с ее 65 000 транзакциями за то же время, такой пропускной способности недостаточно.

На рынке уже давно есть блокчейны с высокой скоростью обработки транзакций. Например, у NEM — 4000 транзакций в секунду, у TRON — 2000, у Ripple — 1500. Большинство действующих проектов масштабируются лучше, чем Bitcoin и Ethereum, но были вынуждены пойти на уступки в безопасности и децентрализации. Здесь мы сталкиваемся с трилеммой масштабируемости.

Авторство термина (scalability trilemma) приписывают Виталику Бутерину, создателю Ethereum. Он заметил, что легко построить блокчейн с двумя из ключевых свойств:

децентрализация — сеть никем не управляется;

безопасность — его невозможно взломать, или стоимость атаки 51% слишком высока;

масштабируемость — количество транзакций, которые может обработать сеть, и их стоимость.

Но трудно разработать блокчейн, который сочетал бы в себе все 3 свойства без ущерба в каждом из них. Получается, что либо децентрализация, либо безопасность должна быть принесена в жертву ради достижения высокой производительности. Компромиссы в этом неизбежны. И пока ни у одного блокчейна не получилось создать равнозначную комбинацию всех трех.

Как устроен Asensys

Ван Цзянпин не пытается решить проблему масштабирования существующих сетей. Он разработал собственный блокчейн и считает, что, наконец-то, понял, как безопасно масштабировать децентрализованную сеть.

У Вана многолетний опыт в масштабируемости систем: он настоящий ученый. В Microsoft он был руководителем исследований по распределенным системам и высокопроизводительным вычислениям GPU. Результаты его изысканий были неоднократно опубликованы в авторитетных журналах, он владелец многочисленных патентов в США.

После работы в Microsoft Ван перешел на работу в Sinovation Ventures, китайский венчурный фонд, вкладывающий в развитие новых технологий. Представляя его, в феврале прошлого года исследователь выступил на престижной конференции по проектированию и внедрению сетевых систем NSDI'19. Там же он впервые представил свою концепцию масштабируемости блокчейнов в соавторторстве с ученым Ван Хао из университета штата Огайо, выпустив рецензированную научную статью «Монооксид: масштабирование блокчейнов с асинхронными консенсусными зонами».

В статье предлагалось устранить дублирование действий, встроенное в блокчейны, и вместо этого распределить рабочую нагрузку по всей сети, создав в ней несколько зон, работающих независимо и асинхронно. Все зоны являются равными, однородными и полностью децентрализованными. Этот принцип Ван иллюстрирует известным выражением «разделяй и властвуй».

Исследователи отмечают, что ограничения масштабируемости в блокчейн-сетях основаны «не на типе развернутого алгоритма консенсуса, как принято считать, а на том, что каждый отдельный узел должен дублировать всю сеть каждый раз, когда добавляется новый блок». «Эта встроенная избыточность мешает таким блокчейнам, как Bitcoin и Ethereum, повышать производительность и достигать пропускной способности, необходимой для удовлетворения потребностей современной цифровой экономики», — пишут авторы. Асинхронные консенсусные зоны, напротив, «линейно масштабируют блокчейн-систему без ущерба для децентрализации или безопасности», — говорится в статье.

Блокчейн Asensys — реализация этой концепции на практике. Он написан на языке программирования PREAL (Parallel Relayed Execution Architecture), специально разработанного для проекта. По словам Ван, во время тестов с использованием 1200 виртуальных машин по всему миру для поддержки 48 000 узлов, Asensys показал пропускную способность в 1000 раз больше, чем биткоин. Ван отмечает, что скорость работы протокола увеличивается пропорционально количеству пользователей, а сам Asensys «высвобождает безграничный потенциал децентрализованных приложений».

В итоге, по заверениям разработчиков, Asensys решает трилемму масштабирования, добившись:

«бесконечной масштабируемости» — Ван считает, что концепция консенсусных зон, способных к параллельной обработке транзакций и распределенному выполнению рабочей нагрузки, может позволить блокчейн-сетям обрабатывать до 10 000 транзакций в секунду и поддерживать пользовательскую базу в более чем миллиард человек;

«бескомпромиссной безопасности», при которой взломать блокчейн в любой отдельно взятой зоне так же сложно, как и во всей сети;

«полной децентрализации», при которой полностью отпадает потребность в какой-либо централизованной координации.

Технических подробностей проекта пока нет. Сейчас, единственным продуктом Аsensys, доступным для пользователей, является сайт проекта. В комментариях изданию Decrypt Ван рассказал, что вместе с ним над проектом работает международная команда из США, Китая и Германии, но назвал лишь одного человека — Мишель Чжуан, отвечающую за привлечение аудитории и опыт работы с клиентами. Ван отметил, что скоро Asensys огласит имена советников и инвесторов. Штаб-квартира компании находится в Сиэтле, штат Вашингтон.

Варианты решений трилеммы масштабируемости

Часть разработчиков считает, что у трилеммы масштабируемости нет решения: децентрализованные блокчейны нельзя масштабировать и они не могут поддерживать большое количество транзакций. Такое ограничение изначально присуще децентрализованной одноранговой сети, потому что в ней нельзя просто масштабировать сеть, добавляя больше узлов или ускоряя связь между ними.

Проблема заключается в том, что для поддержания децентрализации и безопасности в публичных блокчейнах существует ограничение скорости передачи данных. Именно этот фактор позволяет блокчейн-сети быть асинхронной и отказоустойчивой. Поэтому решение трилеммы масштабируемости надо искать за пределами блокчейна. Яркий пример — Hashgraph, который является распределенным реестром, использующим другой способ записи блоков.

Однако большинство разработчиков не сдаются и ищут решение проблемы. Так, на сегодняшний день есть несколько основных подходов: изменить протокол или использовать дополнительные протоколы в самых популярных блокчейнах (прежде всего в Bitcoin и Ethereum) или создать новый блокчейн, изначально лишенный недостатков своих предшественников.

Сначала разберем основные варианты решения трилеммы для Bitcoin и Ethereum.

Разработчики сети Bitcoin бьются над тем, как обрабатывать больше транзакций, не изменяя саму сеть. Одним из таких решений стало обновление SegWit в 2017 году. Оно изменило структуру хранения данных в блоке сети Bitcoin, повысило пропускную способность и сделало возможным внедрение Lightning Network — одно из потенциальных решений трилеммы масштабируемости.

Lightning Network — это второй слой основной блокчейн-сети, который позволяет обрабатывать часть транзакций за ее пределами. Система проводит транзакции между пользователями напрямую через специальные платежные каналы, не записывая их в блокчейн. В сеть записывается лишь результат транзакций после закрытия канала. Тесты показали, что эта технология способна решить проблему масштабируемости биткоина: ее скорость равна 7000 транзакций в секунду. Однако в практических условиях решение сложно в использовании и может привести к потере средств. Lightning Network требует от пользователя четкого понимания устройства технологии и не прощает ошибок с его стороны, поэтому Lightning Network до сих пор используется в основном энтузиастами, а до его массового применения — еще долго.

Другим возможным решением масштабируемости сети Bitcoin может быть способ, разработанный швейцарскими учеными из Федеральной политехнической школы Лозанны. До сих пор консенсус в сети Bitcoin рассматривался как необходимость решения проблемы двойных расходов — ситуации, в которой исключается возможность дублирования транзакции в сети. Большинство подходов к решению этой проблемы включают достижение кворума или соглашения между всеми нодами. Но кворум потребляет слишком много энергии и отнимает много времени. Швейцарцы полагают, что кворум не является необходимым для проверки транзакции. Статья с результатами их исследований получила награду как лучшая работа на Международном симпозиуме по распределенным вычислениям в Будапеште.

Разработчики Ethеreum экспериментируют с сегментированием (дроблением) сети на  более мелкие части, которые могут обрабатывать части транзакций вместо всей суммы. Решение получило название Sharding, и оно должно решить проблему масштабирования на консенсусном уровне. Однако обновление еще не внедрено, так как оно появится только в Ethereum 2.0 после внедрения алгоритма Proof of Stake (PoS).

Также модернизировать Ethеreum пытаются через решения второго уровня, удаляющие транзакции из основной сети (вроде того, как это происходит в Lightning) —  Plasma, TrueBit, Raiden и Counterfactua, и более новые решения от команд Fuel Labs и Connext. Среди них наиболее проработаны Plasma и TrueBit. Они используют технологию централизованных каналов (state channels), позволяющих помимо платежей проводить поверх основного блокчейна и другие действия, например, смарт-контракты. Однако эти сайдчейн-решения также сложны для обычного пользователя и требуют точной настройки.

В заключение

Все эти решения выглядят перспективными, но пока находятся на ранней стадии развития, и ни одно не оказалось по-настоящему эффективным. Значит, охота за потенциальными решениями трилеммы продолжается.

В то же время проекты, подобные Asensys, могут оказаться невостребованными широкой частью криптопользователей. Если разработчики сетей Bitcoin и Ethereum найдут способ их масштабировать, то пользователи, скорее всего, предпочтут использовать их, а не более совершенные, но ничем не зарекомендовавшие себя блокчейны. Ведь решение трилеммы масштабирования блокчейнов самых популярных криптовалют сделает возможным массовое распространение.