Що таке монолітні та модульні блокчейни?

Що таке монолітні блокчейни?

Як це випливає із самої назви, монолітний блокчейн — розподілена система з єдиною структурою. У ній ноди відповідають за консенсус, виконання транзакцій та доступність даних.

На відміну від модульних, монолітних блокчейнах всі ці завдання виконуються на одному рівні або в групі тісно пов’язаних ланцюгів (також працюють на одному рівні).

Більшість блокчейнів криптоекосистеми – монолітні. Наприклад, біткоін, Solana, Ethereum (на перших етапах розвитку).

Розглянемо принцип роботи монолітного блокчейну з прикладу протоколу биткоина:

1. Біткоїн-нода отримує транзакцію від іншого учасника мережі, перевіряє підпис та забезпечує відповідність цих даних правилам консенсусу.
2. Якщо транзакція валідна, нода додає її домемпул(або відхиляє її).
3. Майнер «дістає» транзакцію з мемпулу та додає її до блок-кандидата.
4. Якщо майнеру вдається знайти значенняnonceдля блоку-кандидата (як вимагають правила Proof-of-Work), з’являється можливість транслювати цей блок іншим вузлам мережі. Останні також перевіряють транзакції і, якщо все сходиться, додають новий блок у ланцюжок.

Ноди монолітного блокчейна забезпечують:

1. Доступність даних . Кожна нода містить копію всього блокчейна, зберігаючи кожну транзакцію. Вузол однорангової мережі може запитати дані іншого вузла.
2. Виконання . Усі ноди перевіряють транзакції з їхньої відповідність правилам алгоритму консенсусу. У блокчейнах на основі облікових записів (які зазвичай підтримують смарт-контракти) вузли виконують транзакції для обчислення нового стану мережі.
3. Консенсус . Ноди «домовляються» між собою, які транзакції будуть оброблятися для нових блоків та їх порядок.
4. Врегулювання чи вирішення спорів (settlement) . Ця функція гарантує незворотність підтверджених транзакцій та забезпечує арбітраж у разі заперечення їх валідності.

Архітектура монолітних блокчейнів передбачає, що ноди виконують усі ці функції. У модульних системах виконання відокремлено від врегулювання, консенсусу та доступності даних.

Що таке модульні блокчейни?

Модульний підхід знаменує собою кардинальну зміну парадигми під час побудови блокчейнів. Суть полягає у спеціалізації: один блокчейн відповідає за виконання транзакцій, інший за підтримку консенсусу.

Таким чином, модульний блокчейн сфокусований на виконанні лише деяких завдань, передаючи інші одному або декільком окремим рівням. Компоненти таких систем можна подати у вигляді кубиків Lego, які можна комбінувати для створення різних конструкцій.

Модульні блокчейни являють собою модулі, що підключаються, кожен з яких може замінюватися або об’єднуватися з іншим залежно від конкретного юзкейсу.

Приклад таких модулів – роллапи. Ці рішення масштабування спеціалізуються з обробки транзакцій (виконанні). За консенсус, доступність даних та врегулювання відповідає батьківський ланцюжок.

Як працюють модульні блокчейни?

Розглянемо принцип роботи Ethereum у контексті модульного підходу. Як і біткоїн, а також багато інших блокчейнів першого покоління, мережа другої за капіталізацією криптовалюти була спроектована як монолітна система. Однак для вирішення трилеми масштабування ефір перетворюється на модульну структуру.

Один із важливих етапів на цьому шляху – реалізація шардингу. Ідея полягає в поступовій відмові від моделі, де кожна нода має обчислювати кожну операцію, на користь моделі паралельного виконання, в якій ноди обробляють лише певні обчислення. Це дозволяє обробляти безліч транзакцій одночасно.

Шардинг розбиває блокчейн на кілька підмереж, кожна з яких обробляє свою частину активності. Розділяючи функції на кілька компонентів, досягається більш висока ефективність і продуктивність, ніж якби всі частини системи працювали над тими самими завданнями.

Ethereum-розробники впроваджують систему із 64 компонентів (шардів), що працюють паралельно. Ноди управляють лише частиною реєстру, яку вони закріплені (виконують процеси і підтверджують транзакції), а чи не підтримують весь реєстр.

У контексті модульного підходу шардчейни зберігають різні частини даних Ethereum. Сегментування виконання дозволяє кожному із 64 компонентів обробляти власний набір транзакцій. Такий підхід допомагає збільшити пропускну спроможність системи та підвищити швидкість виконання операцій.

Деякі розробники є прихильникам орієнтованого на роли підходу до підвищення продуктивності Ethereum.

На відміну від інших (більш централізованих) рішень масштабування на кшталт сайдчейнів, роллапи тісно пов’язані з батьківським ланцюжком. Вони представляють своєрідне розширення для поліпшення пропускної спроможності системи.

Завдяки ролапам блокчейн Ethereum «передає на аутсорсинг» обчислення, фокусуючись на врегулюванні, консенсусі та доступності даних.

L2-рішення здатні кардинально оптимізувати обробку транзакцій без шкоди безпеці або децентралізації системи.

Які переваги та недоліки у монолітних блокчейнів?

Монолітні блокчейни – історично перший підхід до побудови розподілених систем. Однак за такої схеми складно вирішити проблему масштабування, не пожертвувавши безпекою чи децентралізацією.

Основна перевага монолітних блокчейнів полягає у їх простоті. З однорівневим дизайном менше складнощів при створенні та обслуговуванні системи. Такий підхід також зрозуміліший для новачків, які намагаються розібратися в особливостях технології.

Головні недоліки монолітних блокчейнів:

• низька пропускна здатність , що впливає на ефективність системи. Для підвищення продуктивності розробники можуть зменшувати інтервал між блоками та збільшувати їх розмір. Це передбачає більш високі вимоги до обладнання для нід. Як результат, зменшується кількість нід, здатних валідувати ланцюг, що загрожує централізацією та пов’язаними з нею ризиками;
• обмежена гнучкість . Впровадження змін та покращень у монолітних блокчейнах може виявитися складним завданням – систему непросто оптимізувати без досягнення компромісу з іншими її аспектами. Така негнучкість породжує труднощі адаптації мережі до потреб і технологічним досягненням;
• безперервне зростання розміру блокчейна з часом, що з необхідністю зберігання всіх транзакційних даних. Внаслідок цього підвищуються вимоги до обладнання, створюючи ризики для децентралізації;
• обмежений контроль . Програми повинні дотримуватись визначених правил мережі, в якій вони розгорнуті: парадигмі програмування, можливостям реалізації хардфорків, культурі спільноти тощо;
• можливі труднощі залучення майнерів або валідаторів , від яких залежить безпека мережі.

«Накладні витрати при розгортанні монолітних блокчейнів високі. Що ще гірше, фрагментується безпека, оскільки кожен ланцюжок має завдання зі створення власного набору валідаторів. Якщо ми хочемо інтернет блокчейнів, не можна, щоб кожен із них забезпечував власну безпеку», — зазначають представники проекту Celestia.

За їх словами, фрагментація через відносну закритість монолітних блокчейнів може створювати перешкоди інтероперабельності, ускладнювати життя розробникам і негативно позначатися на досвіді користувача.

Які переваги та недоліки у модульних блокчейнів?

З плюсів модульних блокчейнів можна виділити:

• масштабованість завдяки тому, що обробка транзакцій та інші ресурсомісткі завдання покладаються на L2-мережі. Останні здатні обробляти великі обсяги ончейн-операцій без шкоди для безпеки чи децентралізації;
• високий рівень безпеки та децентралізації , що забезпечується базовим рівнем;
• гнучкість та сумісність з іншими L1- та L2-системами, що дозволяє розробникам легко запускати різні мережі та віртуальні машини, включаючи EVM;
• хороший користувальницький досвід. Зокрема, модульний дизайн дозволяє досягти високого рівня інтероперабельності. Це дозволяє розробникам створювати універсальні програми, знижувати вхідні бар’єри для новачків та спрощувати взаємодію для існуючих блокчейн-користувачів;
• перспективність . Модульні блокчейни краще адаптуються до змін та покращень технології. Виносячи окремі функції інші рівні, ланцюжка легше оновлювати, не надаючи істотного впливу всю систему;
• рівномірне розподілення безпеки між мережами модульної системи.
• суверенність . Програми на основі монолітних блокчейнів пов’язані з певним набором правил (технічні аспекти, мова програмування для створення смарт-контрактів, соціальний консенсус тощо). У контексті модульних систем розробники можуть вільно вносити зміни в технологічний стек, наприклад, для створення більш ефективного середовища виконання або зміни механізму обробки транзакцій.
• складність . Розробка та обслуговування багаторівневої архітектури модульних блокчейнів може виявитися непростим завданням. Складність подібних систем — потенційний бар’єр і для новачків індустрії, які тільки починають розбиратися в нових технологіях;
• не настільки довгий послужний список у порівнянні з монолітними блокчейнами. Багато модульних систем ще доведеться довести свою життєздатність;
• ризики, пов’язані з безпекою . Якщо неефективний рівень, який відповідає за консенсус і доступність даних, модульна система може вийти з ладу;
• потенційно низький попит на криптоактиви деяких модульних блокчейнів через їхнє обмежене застосування. Наприклад, відповідальний за консенсус і доступність даних рівень, швидше за все, менш активно використовуватиме власний utility-токен, ніж у випадку з рівнем виконання.

Які приклади модульних блокчейнів?

Celestia та Polygon Avail

Celestia — один із найвідоміших представників модульних блокчейнів. У жовтні 2022 року проект залучив $55 млн у раунді під керівництвом Bain Capital Crypto та Polychain Capital.

Блокчейн дозволяє ролапам та іншим модульним ланцюжкам використовувати Celestia для забезпечення доступності даних та консенсусу. Ноди можуть підтверджувати доступність даних без необхідності завантаження всього набору конкретного блоку.

Архітектура Celestia розроблена таким чином, щоб дозволити її вузлам одночасно досягати консенсусу в різних мережах при виконанні офчейн транзакцій.

Чіткий поділ рівнів консенсусу та виконання дозволяє Celestia зосередитись на створенні організованого та системного підходу до зберігання даних, залишаючи виконання транзакцій окремим ланцюжкам.

У березні 2023 року компанія виділила розроблену модульну структуру Rollkit для підтримки роліпів на блокчейні біткоїну в окремий напрямок бізнесу.

Восени 2023 розробники Celestia запустили мейннет Lemon Mint, а токен TIA почав торгуватися на ряді великих бірж.

Проект Polygon розробляє подібне модульне рішення – Avail. Воно призначене для зниження навантаження на блокчейни за рахунок перенесення даних та підвищення масштабованості «в усіх напрямках».

Avail позиціонується як шар доступності даних для Optimism, Validium та інших рішень на базі доказів з нульовим розголошенням , які працюватимуть поверх нього. Технологія дозволить розміщувати та підтверджувати доступність даних поза мережею, виступаючи ключовим компонентом концепції модульної мережевої структури.

“Avail спеціалізується на впорядковуванні транзакцій і збереженні їх доступності, не займаючись валідацією, як це відбувається в типових блокчейнах”, – пояснив співзасновник Polygon Анураг Арджун.

Рішення дозволяє створювати довільні блокчейни з будь-яким середовищем виконання (EVM,wasmта інші) без шкоди для децентралізації чи безпеки.

Ролапи

Як згадувалося, роллапы працюють у контексті модульного підходу. Optimistic rollups використовують Optimistic Virtual Machine, а ZK-rollups – zkEVM як рівень виконання (смарт-контракти, обробка транзакцій).

Обидва типи роллапів покладаються на Ethereum для інших важливих функцій:

• доступність даних та консенсус . Ролапи публікують дані транзакцій до основної мережі як CALLDATA;
• врегулювання . Усі об’єднані транзакції фіналізуються до Ethereum. Що стосується ZK-rollups це відбувається після верифікації докази з нульовим розголошенням. У контексті Optimistic rollups пакети транзакцій за замовчуванням вважаються валідними, а транзакції перевіряють лише якщо хтось її оскаржив.

Validium

Технологія масштабування під назвою Validium має багато спільного із ZK-rollups. Її особливість у тому, що транзакції виконуються офчейном. Потім система відправляє дані пакетами (батчами) у батьківський ланцюжок разом із доказом валідності.

У таких платформах може використовуватися структура типу «комітету доступності даних» (DAC) або окремої мережі на базі Proof-of-Stake як у випадку з Celestia.

Таким чином, модульний стек Validium складається з таких елементів:

• рівень виконання;
• рівень врегулювання та безпеки (батьківський ланцюжок);
• рівень доступності даних та консенсусу (DAC або окрема PoS-мережа).

Приклади систем на базі Validium (відповідно до L2Beat): Immutable X, ZKFair, ApeX, rhino.fi, Sorare.

Джерело